Жидкими кристаллами называют вещества, способные в определённом температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей и свойства кристаллических тел. Как с помощью жидких кристаллов и полимеров удешевить и упростить ЖК-дисплеи? Над этой и другими проблемами работают в лаборатории химических превращений полимеров химфака МГУ.

Большую часть времени сотрудники лаборатории химических превращений полимеров химфака МГУ посвящают фундаментальным исследованиям. Однако это не мешает им разрабатывать новые принципы создания материалов для записи и хранения информации, предлагать новые идеи, как с помощью жидких кристаллов и полимеров удешевить и упростить ЖК-дисплеи, как усовершенствовать защиту от подделки ценных бумаг или создать индикатор вредных металлов.

Бобровский Алексей Юрьевич — старший научный сотрудник лаборатории химических превращений полимеров химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, доцент, кандидат химических наук

Алексей Бобровский: Я люблю эксперимент. Для меня самый интересный и важный результат — то, что я сделал своими руками. И мне кажется, что у меня получается делать так, как я хочу

Вещества, способные быстро отображать и передавать информацию, потребляя при этом минимум энергии, оказались чрезвычайно востребованными в 60-е годы прошлого столетия, когда активно развивалась микроэлектроника. Двойственный характер удивительных молекул, анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность, позволил управлять внешним электрическим полем, породив настоящий жидкокристаллический бум. Его главным результатом стало создание быстродействующего и экономичного ЖК-индикатора — основного элемента современных компьютерных дисплеев, плоских экранов телевизоров, всевозможных технических и бытовых приборов, калькуляторов, часов и т.д. Однако, несмотря на уже более чем столетнюю историю жидких кристаллов, их свойства и практический  потенциал оставляют большой простор для исследований. Например, уже привычный для нас жидкокристаллический дисплей — довольно сложная конструкция; он состоит из более десятка различных слоёв, выполняющих разные функции, что делает изготовление прибора сложным и дорогим. Естественно, что интересно было бы упростить и удешевить этот процесс. Именно этим, наряду с другими задачами, занимаются в лаборатории химических превращений полимеров химфака МГУ.

— Самая простая жидкокристаллическая фаза, нематическая, состоит из вытянутых молекул, ориентированных вдоль определенного направления. Самая простая аналогия — спички, хаотично помещенные в просторной коробке: если коробку потрясти, спички сами уложатся в одну сторону, параллельно друг другу, — объясняет старший научный сотрудник этой лаборатории Алексей Бобровский. — Именно такая фаза используется во всех ЖК-дисплеях. Есть более сложные фазы, в которых ориентированные молекулы определённым образом упаковываются в слои или закручиваются в спираль. Я сейчас изучаю именно такие спиральные структуры, так называемую холестерическую мезофазу: локально в ней реализуется ориентационный порядок молекул, однако на расстояниях, сопоставимых с длиной волны света, есть определённая периодичность всей структуры. Она возникает за счет спиральной закрутки молекул. Это придаёт системе очень интересные оптические свойства. Если ввести в систему молекулы, поглощающие свет, то, воздействуя на неё ультрафиолетом, можно менять структуру, геометрию молекул, что в свою очередь ведёт к изменению шага спирали, то есть к сдвигу длины волны селективного отражения. Что это может дать в случае таких полимеров, образующих холестерическую мезофазу? Во-первых, это новый, необычный способ записи «цветной» оптической информации. Дело в том, что, в отличие от низкомолекулярных жидких кристаллов, ЖК-полимеры при комнатной температуре чаще всего находятся в стеклообразном состоянии. Изменив при высоких температурах (80—120 градусов) шаг спирали под действием света и охладив пленку до комнатной температуры, можно зафиксировать полученное изображение на долгие годы.

Жидкими кристаллами называют вещества, способные в определённом температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел — анизотропию (неодинаковость количественных характеристик физических свойств — оптических, электрических, механических — по различным направлениям).

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более ста лет. Впервые их обнаружил в 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер.

Жидкокристаллические полимеры — высокомолекулярные соединения, способные при определённых условиях  (температуре, давлении, концентрации в растворе) переходить в ЖК состояние. Такое состояние позволяет создавать новые типы конструкционных и функциональных полимерных материалов, сочетающих уникальные свойства низкомолекулярных жидких кристаллов и высокомолекулярных соединений.

Кроме того, известно, что в любом дисплее есть специальный слой, состоящий из трёх цветных пикселей (синего, зелёного и красного), за счёт чего, собственно, и формируется изображение. Так вот эта процедура — получение цветной пиксельной матрицы — довольно сложная, многостадийная. Мы предложили подход к упрощению этого процесса: получать синие, зелёные и красные пиксели в одну стадию, облучая пленку полимера через специальную маску. Если свести к минимуму количество оптических слоёв в дисплее, то это сильно удешевит его.

Незаменимый инструмент — установка для исследований влияния света на оптические свойства жидких кристаллов и полимеров

Над этой и подобными задачами Алексей и его коллеги работали в рамках нескольких совместных проектов вместе с зарубежными партнёрами — компаниями Philips, Samsung, Merck.

ЖК-полимеры на защите денег

Несмотря на сотрудничество с западными компаниями, ориентированными на прикладные разработки, Алексей Бобровский делает основной акцент на фундаментальные исследования.

— Мы хотим предложить какой-то принцип, продемонстрировать возможность изменений, общую идею — это наша основная задача. Конкретный продукт — не цель университета, — говорит он. — Но всё взаимосвязано, мы никогда не знаем, какое применение найдёт наше открытие. Например, нельзя же было изначально предположить, что жидкие кристаллы могут быть использованы для защиты ценных бумаг. К нам обратилась компания «Криптен» из Дубны, производящая голографические марки на винно-водочную продукцию, а также защитные волокна для денежных купюр. Их заинтересовала возможность использования жидкокристаллических полимеров, опыта нашей лаборатории, для усовершенствования защиты ценных бумаг. У нас возникло предложение, связанное с усложнением флуоресцентных меток. Обычно для защиты денежных банкнот и ценных бумаг используют флуоресцентные красители и «проявляют» такие метки неполяризованным светом. А если перевести эти молекулы в жидкокристаллическую матрицу, то излучаемый ими свет становится поляризованным. Мы нанесли на полимерную подложку с отражающим покрытием тонкий жидкокристаллический слой специальной смеси мономеров и через специальную маску облучали полученные пленки ультрафиолетовым светом при разных температурах. В результате, на образце через поляризатор вы можете видеть ряды чёрных полосок — это жидкокристаллическая фаза в стекле. Чтобы дополнительно убедиться, что перед нами не подделка, нужно положить образец под ультрафиолетовую лампу и повертеть поляризатор: если происходит какое-то изменение, светящееся изображение будет проявляться и пропадать, то всё в порядке.

Большая проблема заключается в нехватке специалистов в области жидких кристаллов и ЖК-полимеров. Нет нужной атмосферы, общения со специалистами

Тем не менее, даже удачный «прикладной» опыт не меняет интереса Алексея к собственно исследованиям.

— В случае с «Криптеном» приходилось делать очень много рутинной работы, это больше напоминало кулинарию, — рассказывает Алексей. — Чтобы получить наиболее контрастную пленку, надо экспериментально подобрать условия, меняя температуру и условия облучения. Чаще всего это невозможно рассчитать теоретически, нужно руками проверить кучу вариантов. Это занимает много времени, а научного выхода мало. Поэтому мне это не слишком интересно.

Лаборатория в туалете

— Так вышло, что ещё в школе я увлёкся химией, класса с шестого, — говорит Алексей. — Вообще, в те годы я много чем интересовался: физикой, астрономией… Но больше всего полюбил химию. К тому же моя мама работала в лаборатории элементного завода, и я таскал оттуда списанные реактивы. На заводе был склад, где хранились никому не нужные вещества, некоторые из них были вывезены ещё из гитлеровской Германии. Поэтому у меня лаборатория была намного лучше, чем в школе. Мы жили в Ельце, в частном доме, в котором была пустая комната, изначально запланированная под санузел. Там я и оборудовал лабораторию. У меня было много интересного, даже старые списанные аналитические весы. Я проводил различные эксперименты, даже синтезировал полимеры — реактивы и посуда были. Вытяжка, правда, отсутствовала и опыты, например, с хлором приходилось ставить, в противогазе.

Моя мечта — убедить университетское начальство купить этот прибор в нашу лабораторию либо в Центр коллективного пользования. Прибор позволит обнаружить безумно интересные эффекты в тонких пленках ЖК-полимеров. А со временем возникнут и новые идеи для их практического использования

Позже мне неожиданно в руки попала книжка Анатолия Степановича Сонина «Кентавры природы», о жидких кристаллах. Почему «кентавры»? Потому что жидкие кристаллы соединяют в себе несоединимое: оптические свойства кристаллов и текучесть. Я сильно увлёкся жидкими кристаллами, и был уверен, куда мне надо идти учиться. А когда поступил на химфак, выяснилось, что здесь есть специализированная полимерная группа, изучающая полимеры с первого курса. Более того, есть лаборатория, где занимаются жидкокристаллическими полимерами. Это было то, что мне нужно! Собственно, здесь я до сих пор и работаю.

За восемнадцать лет ряды сотрудников лаборатории сильно поредели. Когда-то было даже тесно. В 90-х сотрудники стали разъезжаться — большая часть коллег сейчас за границей, и в лаборатории, кроме Алексея, работают два человека: ведущий научный сотрудник Наталья Ивановна Бойко и, конечно, заведующий лабораторией, профессор Валерий Петрович Шибаев. А также студенты, аспиранты.

Различная ориентация низкомолекулярных жидких кристаллов на подложках различной природы уже очень хорошо исследована. А как поведут себя ЖК-полимеры, смеси различных полимеров, будут ли особенности в этом поведении — пока не понятно

Все ЖК-дисплеи, которыми пользуемся ежедневно, созданы на основе самой простой фазы жидких кристаллов — нематической

— Ни для кого не секрет, что наука у нас в катастрофическом положении. Причины этого и пути решения проблем все время обсуждаются, в том числе на сайте www.strf.ru. Большая проблема заключается в нехватке специалистов в области жидких кристаллов и ЖК-полимеров. По-моему, наша лаборатория — чуть ли не единственная, которая занимается жидкокристаллическими полимерами. Все остальные распались, так как люди разъехались. Нет нужной атмосферы, общения со специалистами. Конечно, кто-то все еще занимается жидкими кристаллами. Каждый месяц в университете, в Центре коллективного пользования, проводятся семинары. Но чаще всего уровень докладов невысок. Отчасти, это из-за недостаточного доступа к зарубежным журналам (или нежелания много читать?): люди заново «изобретают велосипед».

На вопрос, почему он не уехал, Алексей отвечает не сразу.

— По совокупности причин. Во-первых, было неудобно покидать научных руководителей, Наталью Ивановну и Валерия Петровича. Всё-таки они много для меня сделали. Была целая эпопея с продлением общежития: ими было много сил положено на то, чтобы я здесь остался. И в финансовом плане я не чувствовал себя обделённым, в основном, благодаря Валерию Петровичу. Он всегда чуть ли не заставлял меня подавать документы на различные молодёжные премии, включая самую первую соросовскую стипендию, которая меня сильно выручила в самый жесткий период. И сейчас, благодаря его усилиям лаборатория продолжает получать адекватное финансирование.

Во-вторых, для меня очень важна игра на барабанах. (Алексей всерьёз увлекается музыкой, о чём STRF уже писал. – Ред.) У меня их слишком много, трудно куда-либо из транспортировать. Сейчас налажен процесс ежедневных занятий, а любой отъезд на постдок — это проблемы с транспортировкой, неминуемый перерыв, связанный с поиском помещения для занятий на каждом новом месте, и т.д.

 Есть и еще одна важная причина неотъезда. «Вечным постдоком» мне быть никто не позволит, и рано или поздно возникнет дилемма: либо вернуться назад, неизвестно в какую лабораторию, либо вступить в жесткую борьбу за постоянное профессорское место на Западе. А сама должность профессора и заведующего лабораторией меня совершенно не привлекает. Мало кто из профессоров позволяет себе работать руками, им уже просто некогда. Кроме того, необходимо читать лекции. Все это в совокупности сведёт на нет все попытки заняться «собственноручной» экспериментальной работой. А я всё-таки люблю эксперимент. Для меня самый интересный и важный результат — то, что я сам сделал, руками. Пусть это менее эффективно, чем руководить коллективом сотрудников или аспирантов и иметь кучу статей, но мне это больше нравится. Мне тоже приходится, конечно, быть научным руководителем аспирантов и студентов, но их у меня обычно немного. Как это ни парадоксально звучит в нынешней ситуации, мне кажется, что у меня получается делать так, как я хочу, есть некая свобода.

Должность профессора и заведующего лабораторией меня совершенно не привлекает. Мало кто из профессоров позволяет себе работать руками, им уже просто некогда. А у меня, как это ни парадоксально звучит в нынешней ситуации, получается делать так, как я хочу, есть некая свобода

Галстук для полимеров

В последние три года Алексей со студентами и аспирантами занят синтезом и изучением фотохромных краун-эфир-содержащих полимеров. Тонкие пленки таких полимеров сильно изменяют свое фазовое поведение и фотооптические свойства при комплексообразовании, при связывании ионов металлов.

— Как мы получаем тонкие плёнки полимеров? Очень просто, — объясняет Алексей. — Используем обычную центрифугу, в которой закрепляем подложку — кварцевое или обычное стекло. Раскручиваем центрифугу до высокой скорости и на вращающееся стекло наносим раствор полимера. Большая часть раствора разбрызгивается, а то, что остается, становится тонкой однородной плёнкой. Это общепринятая технология. Далее мы исследуем, как меняется фазовое поведение и оптические свойства тонких плёнок полимеров при комплексовании с ионами металлов. В итоге это может иметь прикладной интерес: например, если оптимизировать химическую структуру так, что пленка будет избирательно связывать ионы определенного металла, например, ртути. Поэтому такие системы можно будет использовать в индикаторах на содержание этого металла. Но я думаю не о каком-то конкретном применении, мне интереснее узнать особенности поведения таких пленок, разобраться с тем, что в них происходит при комплексообразовании, при облучении…

Еще одно из направлений, разрабатываемых нами в последние несколько месяцев — изучение свойств пленок ЖК-полимеров различной толщины, от десятков-сотен нанометров до десятков микрон, нанесенных на подложки различной природы. Дело в том, что различная ориентация низкомолекулярных жидких кристаллов на таких подложках уже очень хорошо и достаточно подробно исследована. Как поведут себя ЖК-полимеры, смеси различных полимеров, будут ли особенности в этом поведении? Пока не понятно.

Алексей показывает мне оборудование лаборатории. Среди установок для исследований влияния света на оптические свойства жидких кристаллов и полимеров, микроскопов, спектрометров и спектрофотометров я вижу бархатный темно-синий галстук, тщательно расправленный на столе.

Конкретный продукт — не цель университета. Но всё взаимосвязано, мы никогда не знаем, какое применение найдёт наше открытие. Например, нельзя же было изначально предположить, что жидкие кристаллы могут быть использованы для защиты ценных бумаг

— Это галстук отца Валерия Петровича, чрезвычайно полезная вещь! С его помощью мы задаем ориентацию жидких кристаллов и ЖК-полимеров так, чтобы их молекулы или фрагменты молекул выстроились в одном направлении, — говорит Алексей. — Смех смехом, но в дисплейной промышленности делают почти то же самое: на стеклянную подложку с токопроводящим покрытием наносится тонкий слой полимера-ориентанта, и затем специальный ворсистый валик натирает эту подложку. На поверхности полимера возникают микроцарапины, бороздки, вдоль которых и выстраиваются молекулы жидкого кристалла — они же имеют форму палочек, им «выгодно» лечь вдоль бороздок (помните пример со спичками в коробке?). Так задаётся ориентация молекулам жидкого кристалла. У нас валика нет, и когда нам нужно задать ориентацию жидкому кристаллу — не важно, полимерному или низкомолекулярному — мы просто натираем стекло с нанесённым ориентантом об галстук.

Еще одно интересное направление — изучение тонких полимерных плёнок разными методами одновременно.

— Комбинация методов конфокальной микроскопии, спектроскопии и атомно-силовой микроскопии — уникальный способ исследования полимеров, мы ведём такую работу совместно с Константином Мочаловым, научным сотрудником лаборатории протеомики Института биоорганической химии РАН. Константин создал прибор для таких многосторонних исследований, а моя мечта — убедить университетское начальство купить этот прибор в нашу лабораторию либо в Центр коллективного пользования. Уверен, что этот прибор позволит обнаружить безумно интересные эффекты и явления в тонких пленках наших ЖК-полимеров. А со временем возникнут и новые идеи для их практического использования.

Елена Σ Укусова
Фото: Игнат Σ Соловей

www.strf.ru