Магнитные жидкие кристаллы.

Лаборатория магнитной радиоспектроскопии.
Руководители: д.ф.-м.н. И.В. Овчинников, д.х.н. Ю.Г. Галяметдинов.

Хорошо известно научное и практическое значение традиционных жидких кристаллов построенных из органических молекул - мезогенов. Изменение физических макроскопических свойств жидкокристаллического состояния происходит под влиянием минимального внешнего воздействия. Именно это свойство служит основой широкого применения жидкой, но вместе с тем анизотропной среды в различных приборах отображения информации (дисплеи компьютеров, оптические преобразователи и т.д.), а также объясняет жидкокристаллическую природу важнейших функциональных биологических структур. В последние годы успешно развивается новое научное направление – металломезогены, возникшее на стыке физики жидких кристаллов и координационной химии. В результате создания металломезогенов – координационных соединений  переходных металлов с органическими лигандами – химия жидких кристаллов обогатилась разнообразием геометрических форм мезогенных молекул, а физика - необычными электрическими, оптическими и, что самое главное, магнитными свойствами мезофаз. Существенную общепризнанную роль в развитии этого направления сыграли работы лаборатории МРС КФТИ, где впервые в мире созданы магнитные жидкие кристаллы – нематики и смектики (рис. 1), высокоспиновый мезогенный комплекс железа, полиядерные мезогены, редкоземельные мезогены, развит метод ЭПР – прямой метод исследования парамагнитных мезофаз.

Рис.1. Пример металломезогена меди обладающего как нематической (N), так и смектической (S) фазой.

Важнейшим результатом последних лет является создание и исследование свойств жидких кристаллов на основе комплексов редкоземельных элементов (La, Nd, Eu, Gd, Tb,Dy, Ho, Er, Yb), обладающих рекордной магнитной анизотропией Dc превышающей на два порядка анизотропию известных до сих пор жидких кристаллов [1-4] (график 1). Управление диамагнитными жидкими кристаллами осуществляется внешним электрическим полем с использованием анизотропии диэлектрических свойств среды. Ориентационная управляемость мезофазы магнитным полем зависит от величины магнитной анизотропии. 

|D|×10^-6 cm³/mol

 График 1. Сравнительная магнитная анизотропия мезофаз.

Электрооптика диамагнитных жидких кристаллов развита хорошо, а магнитооптика, вследствие малости  Dc слабо. Существенное увеличение магнитной анизотропии, достигнутое в редкоземельных мезогенах, создает фундамент для развития магнитооптики жидких кристаллов, обнаружения новых магнитооптических эффектов, для использования таких систем в управляемых магнитным полем дисплеях и в целях магнитной дефектоскопии. Условием широкого практического и научного применения жидких кристаллов с большой магнитной анизотропией является снижение температур фазовых переходов и вязкости мезофаз. Изменением анионного состава редкоземельных комплексов удалось существенно снизить температуры фазовых переходов и уменьшить (за счет фторсодержащих анионов) вязкость смектических фаз редкоземельных комплексов [5] (график 2.)

График 2. Уменьшение температур фазовых переходов в серии лантаноидов при изменении анионного состава.

Другим важным результатом является создание и исследование методами ДСК, поляризационной микроскопии, магнитной восприимчивости, гамма-резонансной спектроскопии и рентгенофазового анализа первого соединения Fe, обладающего как жидкокристаллическим (смектическим), так и спин-переменным (spin-crossover) свойствами (рис. 2). Можно ожидать в дальнейшем широкого практического применения соединений подобного типа в качестве активных сред для записи и хранения информации и оптических устройств, используя при этом хорошо развитую технологию и технику приготовления жидкокристаллических систем.

Рис.2. Зависимость магнитного момента соединения [FeL₂]PF₆ от температуры.

Литература:

1. Туранов А.Н, Гончаров В.А, Галяметдинов Ю.Г., Иванова Г.И., Овчинников И.В. Изв. Акад. наук, сер. хим., 1999, № 4, 694-697.
2. K. Binnemans, Yu. G. Galyametdinov, W. Haase, A. Prosvirin, L. Tinchurina, I. Litvinov, R. Van Deun, D. Bruce , S. Collinson, A. Polishchuk, I. Bikchantaev, A. Rakhmatullin, K. Uytterhoeven, L. Meervelt. Rare-Earth – Containing Liquid Crystals. J. Am. Chem. Soc., 2000, v. 122, N 18, p. 4335-4344.
3. Овчинников И.В., Галяметдинов Ю.Г., Магнитные жидкие кристаллы на основе координационных соединений. Российский химический журнал 2001, XLV. №3. стр.74-79 
4. A.Turanov, I.V.Ovchinnikov Yu.G.Galyametdinov, D.Bruce, Magnetic anisotropy of smectic A phase of lanthanide complexes derived from Schiff’s bases and DOS, NO3 anions. Liquid Crystalls 2001.V.28. No.6. P.845-850
5. Галяметдинов Ю.Г., Иванова Г.И., Овчинников И.В., Биннеманс К. и Брюс Д.В. Изв. Акад. наук, сер. хим., 1999, № 2, сс. 387-389.
6. Yu. Galyametdinov, V. Ksenofontov, A. Prosvirin, I. Ovchinnikov, G. Ivanova, P. Gütlich, W. Haase, First Example of Coexistence of Thermal Spin Transition and Liquid Crystal Properties. Angewandte Chemie – International Edition. 2001.V.40. No.22.Р. 4269-4271.