Жидкокристаллические полимеры и материалы, устройства на их основе

Введение
Фотохимию можно назвать одновременно и старой и молодой областью науки. Начав свое развитие еще в первой половине XIX в., классическая фотохимия в 50-70-х годах нашего столетия пережила подлинный ренессанс, связанный с последовательным внедрением в технику фотохимии трех важнейших изобретений. Во-первых, это метод импульсного фотолиза, позволяющий исследовать первичные стадии фотохимических превращений, такие как образование радикалов и возбужденных электронных состояний. Во-вторых, это метод хроматографии, с помощью которого можно разделять и анализировать продукты фотохимической реакции. И наконец, открытие лазеров совершило подлинную революцию в фотохимии.
В данной работе мы раскроем тему жидкокристаллических полимеров и материалов, устройств на их основе, а также ознакомимся с «Умными» («smart») полимерными материалами. Не лишним будет и рассмотрение мономеров, используемых для изготовления ЖК-полимеров.
Жидкокристаллические полимеры
Жидкокристаллические (ЖК) полимеры позволяют создавать интеллектуальные конструкции первого типа (пассивные), поскольку могут выступать в качестве сенсоров, диагностирующих свое состояние.
Отличительной особенностью таких ЖК сенсоров от всех ранее рассмотренных являются достаточно узкие области применения. С одной стороны, это является недостатком, поскольку существенно ограничивает области их применения в качестве сенсоров, а с другой стороны - это одновременно является их преимуществом, поскольку в узком диапазоне применения эти материалы позволяют проводить самодиагностику с высокой степенью точности. Еще одним их преимуществом является их многоразовое использование, тогда как, например, сенсоры в виде углеродных волокон, в том случае, если при высоких эксплуатационных нагрузках имел место их разрыв, требуется заменить.
ЖК-материалы условно можно отнести к особому состоянию, которое отличается от всех трех известных (жидкого, твердого и газообразного) и занимает некое промежуточное положение между твердым (кристаллическим) и жидким состояниями.
Обычные кристаллические термопластичные материалы могут находиться в двух фазах - твердой при комнатной температуре и жидкой при нагреве до состояния плавления. ЖК-полимеры характеризуются тем, что находятся в третьей фазе, которая обладает свойствами жидкого и твердого состояний. Жидкий кристалл имеет дальний ориентационный порядок между молекулами (трехмерный дальний позиционный порядок, который связывает молекулы с кристаллической решеткой, отсутствует). Следовательно, жидкий кристалл обладает анизотропией, характерной для кристалла (в частности, анизотропией оптических свойств), и текучестью, характерной для жидкости. Ориентированные ЖК-полимеры в отличие от обычных полимеров не содержат отдельной аморфной фазы.
Из ЖК-полимеров производят достаточно большую группу высокопрочных и высокомодульных волокон, среди которых наибольшее распространение получили волокна марок Кевлар, Терлон, Найлон, а также целый ряд вискозных и полиэфирных волокон. При производстве таких волокон высокоориентированное состояние полимера сохраняется (именно благодаря этому и достигаются высочайшие значения прочности моноволокон), однако их жидкокристаллические свойства теряются и полученные волокна уже не обладают способностью изменять свой цвет при определенном воздействии электрических или магнитных полей. Это связано с тем, что фазовое расслоение происходит в очень узком диапазоне, и эта узкая область, разделяющая изотропную и жидкокристаллическую фазы, называется «горном Флори». В термодинамическом фазовом пространстве, в котором температура и концентрация являются переменными величинами, участки единой фазы всегда разделены именно этой областью, в которой две фазы различного состава находятся в состоянии равновесия по отношению друг к другу.
В том случае, если будут разработаны технологии производства волокон из ЖК-полимеров, в которых сохранялись бы оптические эффекты, данные материалы найдут широкое распространение в технике диагностирования и при производстве самых различных машин и механизмов

. Основные области их применения - армирование, т.е. использование в качестве волокнистых наполнителей при производстве изделий из полимерных композиционных материалов.
Разработка ЖК-полимеров основной цепи ведется теми исследователями, которые преследуют цель увеличения его жесткости и прочности. Разработка ЖК-полимеров, содержащих различные боковые звенья, ведется теми, кто заинтересован в улучшении их оптических и прочих свойств. Это связано с тем, что группы (обычно это кольцеобразные структуры), вносимые в молекулярную цепочку для увеличения ее жесткости, характеризуются электрооптической активностью. Следовательно, линейное упорядочение мезофазы приводит к совместной ориентации и возникновению анизотропии, необходимой для достижения требуемых оптических свойств.
«Умные» полимерные материалы
Смарт-полимеры, или реагирующие на стимулы полимеры, представляют собой материалы, состоящие из полимеров, которые реагируют на драматический способ очень незначительных изменений в их Окружающая среда. Ученые, изучающие природные полимеры, узнали, как они ведут себя в биологических системах, и теперь используют эту информацию для разработки подобных искусственных полимерных веществ со специфическими свойствами. Эти синтетические полимеры потенциально очень полезны для различных применений, в том числе в отношении биотехнологии и биомедицины.
Умные полимеры становятся все более распространенными, так как ученые узнают о химии и триггерах, которые вызывают конформационные изменения в полимерных структурах и разрабатывают способы использования и управления ими. Новые полимерные материалы химически формулируются с учетом специфических изменений окружающей среды в биологических системах и корректируются с помощью предсказуемого метода, что делает их полезными инструментами для доставки лекарств или другими механизмами метаболического контроля.
В этой относительно новой области биотехнологии потенциальные биомедицинские применения и экологические применения для интеллектуальных полимеров кажутся безграничными. В настоящее время наиболее распространенным применением гибких полимеров в биомедицине является специально нацеленная доставка лекарств.
С появлением фармацевтических препаратов с временным высвобождением у ученых возникла проблема поиска способов доставки наркотиков на конкретный сайт в организме без их первого ухудшения в сильнокислой среде желудка.
Важным фактором является также предотвращение неблагоприятного воздействия на здоровую кость и ткань. Исследователи разработали способы использования интеллектуальных полимеров для контроля выпуска лекарств до тех пор, пока система доставки не достигнет желаемой цели. Этот выпуск контролируется либо химическим, либо физиологическим триггером.
Линейные и матричные интеллектуальные полимеры существуют с различными свойствами в зависимости от реакционноспособных функциональных групп и боковых цепей. Эти группы могут реагировать на рН, температуру, ионную силу, электрические или магнитные поля и свет. Некоторые полимеры обратимо сшиваются нековалентными связями, которые могут разрушаться и реформироваться в зависимости от внешних условий. Нанотехнология была фундаментальной в разработке некоторых полимеров наночастиц, таких как дендримеры и фуллерены, которые применялись для доставки лекарств. Традиционная инкапсуляция лекарственных средств была проведена с использованием молочнокислых полимеров. Более поздние разработки привели к образованию решетчатых матриц, которые содержат интересный препарат, интегрированный или захваченный между полимерными нитями.
Интеллектуальные полимерные матрицы высвобождают лекарства посредством химической или физиологической реакции, изменяющей структуру, часто реакцию гидролиза, приводящую к расщеплению связей и высвобождению лекарственного средства, когда матрица разрушается в биоразлагаемые компоненты