Вода — основа всего живого. У человека, например, она составляет около 66% всей массы тела, у медузы — 95%. Вода выполняет ряд важных функций. Она является прекрасным растворителем для минеральных солей и других веществ, которые нужно вводить в организм и выводить из него при обмене веществ. В то же время в воде абсолютно нерастворимы вещества, необходимые для сохранения целостности строения организма.

Среди всех известных жидкостей вода имеет самую большую теплоемкость, что очень существенно для сохранения теплового баланса организма с окружающей средой. Рекордные свойства воды как растворителя ионных соединений и чрезвычайно высокая теплоемкость обусловлены ее весьма специфическим строением. Прежде всего отметим, что 2 иона водорода, заряженные положительно, и ион кислорода, заряженный отрицательно, в молекуле воды располагаются в форме треугольника, так что получается диполь. Но самое важное заключается в том, что в жидкой воде молекулы не являются свободными, а соединены между собой с помощью довольно слабых химических связей (между атомами кислорода и водорода). Каждая молекула воды оказывается связанной с четырьмя соседними молекулами. При нагреве часть энергии уходит на разрыв связей, и этим объясняется высокая теплоемкость воды.

Если бы мы захотели растворить в воде большую органическую молекулу, нам пришлось бы насильно втиснуть ее в «водную решетку», разрушив множество химических связей. Это энергетически невыгодно. Вот почему органика (если она не несет электрического заряда) не растворяется в воде, как бы выталкивается из нее. Таким образом, необычные свойства воды целиком определяются ее специальным строением.

Интересная ситуация возникает, когда в одной и той же молекуле объединены две части, одна из которых заряжена и сама по себе могла бы растворяться в воде, а другая часть не заряжена и соответственно нерастворима. Тогда в зависимости от концентрации таких молекул в воде может наблюдаться следующая цепочка событий. 

Пусть воды очень много, а хвостатых заряженных молекул очень мало. Тогда все они могут легко разместиться на поверхности воды так, чтобы заряженные головки были погружены в воду (благодаря притяжению со стороны ее зарядов), а хвосты, как поплавки, торчали бы вверх, избежав таким образом контакта с водой. Эти молекулярные поплавки можно сдвинуть вместе с помощью плавучего барьера. Вначале барьер будет испытывать очень слабое противодействие со стороны молекул, но когда молекулы соберутся вместе, их противодействие резко увеличится. Этот процесс похож на сжатие газа поршнем. Поршень идет легко, пока газ не превратится в жидкость, которая практически несжимаема. В данном случае мы имеем дело, можно сказать, с двумерным (а не трехмерным) газом п двумерной жидкостью.

Если бы молекулы лежали на поверхности воды хаотично, однако образуя плотный мономолекулярный (толщиной в одну молекулу) слой, мы действительно имели бы дело с настоящей двумерной жидкостью. Но в нашем случае молекулы не только могут перемещаться в плоскости слоя, но и сохраняют одну и ту же ориентацию. Значит, мы" имеем дело с двумерным жидким кристаллом (один слой смектика).

Будем теперь увеличивать концентрацию молекул-«головастиков». Поверхность воды очень быстро окажется занятой. Но, оказывается, существует способ ее искусственного увеличения. И «головастики» с легкостью находят этот способ. Избегая контакта с водой, хвосты молекул прячутся внутрь сфер, образованных ди-польными головками, создавая так называемые мицеллы (от латинского слова «мица» — крупинка). Мицеллы имеют сферическую форму, и раствор в целом похож на взвесь твердых частиц в жидкости. В поляризованном свете такой раствор не обладает двойным лучепреломлением. По отношению же к оболочке отдельной мицеллы останутся справедливыми соображения, которые мы высказали о природе мономолекулярного слоя.

Давайте еще увеличим концентрацию хвостатых молекул или уменьшим концентрацию растворителя. Количество сферических мицелл будет увеличиваться до тех пор, пока они не начнут слипаться. Воды становится недостаточно, чтобы омывать сферические мицеллы, и возникает новая геометрия. Мицеллы приобретают форму цилиндров, тесно уложенных рядом и в сечении образующих упаковку в виде шестиугольников. Теперь оптические свойства раствора сильно зависят от того, в каком направлении мы смотрим —вдоль или поперек цилиндров. Раствор обладает сильным двойным лучепреломлением и в то же время может течь. Мы имеем дело с настоящим жидким кристаллом. Такого типа жидкие кристаллы, полученные растворением одного вещества в другом, называются лиотропными (от греческого слова «лио» — растворяю). 

Будем настойчивы и продолжим опыт с этим странным раствором. Добавим еще хвостатых молекул или, что тоже самое, испарим часть воды. Тогда цилиндрическое строение раствора становится невозможным, и он приобретает форму стопки параллельных слоев. И опять длинные хвосты избегают контакта с водой, а вода образует очень тонкие прослойки между слоями вещества. Для таких тонких прослоек воды еще вполне достаточно, и она играет роль смазки, позволяющей слоям легко скользить относительно друг друга. Это как раз то самое мыло, о котором мы уже говорили в связи с рис. 105 и которое дало название целому классу смекти-ческих жидких кристаллов. Таким образом, слоистый «пирог» по своему происхождению является лиотропным жидким кристаллом, а по строению — смек-тическим.

Если мы еще уменьшим концентрацию воды, то получим новые картинки. Это структуры-перевертыши. Воды уже так мало, что теперь мы имеем дело не с раствором «головастиков» в воде, а, наоборот, скорее вода растворена в них. При этом она может существовать в форме цилиндров, а если ее совсем мало, то в форме небольших сфер. Обратим внимание на то, что изначальный принцип, согласно которому с водой контактируют только дипольные головки молекул, но не хвосты, выполняется и в этих двух случаях. То, что мы видим строго говоря, не является жидким кристаллом. Это твердый кристалл, в который включены вкрапления, имеющие жидкокристаллическое строение (так же, как в случае сферических мицелл).

Такая цепочка событий построена нами чисто логическим путем. В жизни же можно наблюдать только ее отдельные звенья. Для одних веществ, например, можно видеть последовательный переход от ситуации, для других известны структуры-перевертыши.

Это зависит от конкретного строения молекул-«головастиков». Например, молекулы жирных кислот имеют одну дипольную головку и один хвост и легко образуют сферические мицеллы А вот молекулы фосфолипидов (липиды — это жиры), играющие исключительно важную роль в живых организмах, имеют два хвоста, присоединенных к одной головке, и не образуют мицелл. Причина состоит в том, что двум хвостам не хватает места в одной мицелле. Поэтому молекулы фосфолипидов образуют исключительно стабильные плоские двойные слои, строение которых может быть весьма разнообразным.