Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с Lyotropic )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Высоковязкий гель кубической фазы, состоящий из полисорбата 80 , воды и жидкого парафина .

Жидкокристаллическая мезофаза называется лиотропным (а портманто из lyo- «растворяться» и -tropic «изменения») , если формируется путем растворения амфифильного мезогена в подходящем растворителе, при соответствующих условиях концентрации, температуры и давления. [1] [2] Смесь мыла и воды является повседневным примером лиотропного жидкого кристалла.

Исторически этот термин использовался для описания обычного поведения материалов, состоящих из амфифильных молекул, при добавлении растворителя . Такие молекулы содержат водолюбивую гидрофильную головную группу (которая может быть ионной или неионогенной), присоединенную к водоненавистной гидрофобной группе.

Микрофазовая сегрегация двух несовместимых компонентов в нанометровом масштабе приводит к разному типу индуцированного растворителем расширенного анизотропного [3] расположения, в зависимости от объемного баланса между гидрофильной и гидрофобной частями. В свою очередь, они создают дальний порядок фаз, при этом молекулы растворителя заполняют пространство вокруг соединений, обеспечивая текучесть системы. [4]

Таким образом, в отличие от термотропных жидких кристаллов лиотропные жидкие кристаллы имеют дополнительную степень свободы, то есть концентрацию, которая позволяет им индуцировать множество различных фаз. По мере увеличения концентрации амфифильных молекул в растворе возникают несколько различных типов лиотропных жидкокристаллических структур. Каждый из этих различных типов имеет разную степень молекулярного упорядочения в матрице растворителя, от сферических мицелл до более крупных цилиндров, выровненных цилиндров и даже двухслойных и многослойных агрегатов. [5]

Типы лиотропных систем [ править ]

Примерами амфифильных соединений являются соли жирных кислот, фосфолипиды . Многие простые амфифилы используются в качестве моющих средств . Смесь мыла и воды - повседневный пример лиотропного жидкого кристалла.

Биологические структуры, такие как волокнистые белки, демонстрирующие относительно длинные и четко определенные гидрофобные и гидрофильные «блоки» аминокислот, также могут проявлять лиотропное жидкокристаллическое поведение. [6]

Самосборка амфифила [ править ]

Типичное амфифильное гибкое поверхностно-активное вещество может образовывать агрегаты посредством процесса самосборки, который является результатом специфических взаимодействий между молекулами амфифильного мезогена и молекулами немезогенного растворителя.

В водных средах движущей силой агрегации является « гидрофобный эффект ». Агрегаты, образованные амфифильными молекулами, характеризуются структурами, в которых гидрофильные головные группы подвергают свою поверхность воздействию водного раствора, защищая гидрофобные цепи от контакта с водой.

Для большинства лиотропных систем агрегация происходит только тогда, когда концентрация амфифила превышает критическую концентрацию (известную также как критическая концентрация мицелл (CMC) или критическая концентрация агрегации (CAC) ).

При очень низкой концентрации амфифила молекулы будут рассредоточены случайным образом без какого-либо упорядочения. При немного более высокой (но все еще низкой) концентрации, выше ККМ, самоорганизующиеся агрегаты амфифилов существуют как независимые образования в равновесии с мономерными амфифилами в растворе, но без дальнего ориентационного или позиционного (трансляционного) порядка. В результате фазы становятся изотропными (т.е. не жидкокристаллическими). Эти дисперсии обычно называют « мицеллярными растворами », часто обозначаемыми символом L 1 , в то время как составляющие сферические агрегаты известны как « мицеллы ».

При более высокой концентрации сборки станут упорядоченными. Истинные лиотропные жидкокристаллические фазы образуются, когда концентрация амфифила в воде увеличивается за пределы точки, в которой мицеллярные агрегаты вынуждены регулярно размещаться в космосе. Для амфифилов, которые состоят из одной углеводородной цепи, концентрация, при которой образуются первые жидкокристаллические фазы, обычно находится в диапазоне 25-30 мас.%. [ необходима цитата ]

Жидкокристаллические фазы и состав / температура [ править ]

Простейшей жидкокристаллической фазой, образованной сферическими мицеллами, является « мицеллярная кубическая », обозначаемая символом I 1 . Это высоковязкая, оптически изотропная фаза, в которой мицеллы расположены на кубической решетке. При более высоких концентрациях амфифилов мицеллы сливаются с образованием цилиндрических агрегатов неопределенной длины, и эти цилиндры располагаются на длинной гексагональной решетке. Это лиотропная жидкокристаллическая фаза известна как « гексагональная фаза », или , более конкретно, « нормальная топология » гексагональная фаза и обычно обозначается символом Н I .

При более высоких концентрациях амфифила образуется « пластинчатая фаза ». Эта фаза обозначается символом L α и может считаться лиотропным эквивалентом смектической мезофазы A. [1] Эта фаза состоит из амфифильных молекул, расположенных в двухслойных слоях, разделенных слоями воды. Каждый бислой является прототипом расположения липидов в клеточных мембранах.

Для большинства амфифилов, которые состоят из одной углеводородной цепи, одна или несколько фаз, имеющих сложную архитектуру, образуются при концентрациях, которые являются промежуточными между концентрациями, необходимыми для образования гексагональной фазы, и теми, которые приводят к образованию ламеллярной фазы. Часто эта промежуточная фаза представляет собой бинепрерывную кубическую фазу .

Схема, показывающая агрегацию амфифилов в мицеллы, а затем в лиотропные жидкокристаллические фазы в зависимости от концентрации амфифилов и температуры.

В принципе, увеличение концентрации амфифилов сверх точки, где образуются ламеллярные фазы, привело бы к образованию лиотропных фаз с обратной топологией , а именно обратных кубических фаз, обратной гексагональной столбчатой ​​фазы (столбики воды, инкапсулированные амфифилами, (H II ) и обратная мицеллярная кубическая фаза (объемный образец жидкого кристалла со сферическими водяными полостями). На практике фазы с обратной топологией более легко образуются амфифилами, которые имеют по крайней мере две углеводородные цепи, прикрепленные к головной группе. Наиболее распространенные фосфолипиды, которые встречаются в клетке мембраны клеток млекопитающих являются примерами амфифилов, которые легко образуют лиотропные фазы с обратной топологией.

Даже в пределах одних и тех же фаз самособирающиеся структуры можно настраивать в зависимости от концентрации: например, в ламеллярных фазах расстояния между слоями увеличиваются с увеличением объема растворителя. Поскольку лиотропные жидкие кристаллы полагаются на тонкий баланс межмолекулярных взаимодействий, их структуру и свойства анализировать сложнее, чем у термотропных жидких кристаллов.

Объекты, создаваемые амфифилами, обычно имеют сферическую форму (как в случае мицелл), но также могут быть дискообразными (бицеллы), палочковидными или двухосными (все три оси мицелл различны). Эти анизотропные самоорганизующиеся наноструктуры могут затем упорядочиваться во многом так же, как термотропные жидкие кристаллы, образуя крупномасштабные версии всех термотропных фаз (например, нематическую фазу стержневидных мицелл).

Молекулы-хозяева [ править ]

Возможно, что определенные молекулы растворены в лиотропных мезофазах, где они могут располагаться в основном внутри, снаружи или на поверхности агрегатов.

Некоторые из таких молекул действуют как примеси, придавая определенные свойства всей фазе, другие можно считать простыми гостями с ограниченным влиянием на окружающую среду, но, возможно, сильными последствиями для их физико-химических свойств, а некоторые из них используются в качестве зондов для определять свойства всей мезофазы на молекулярном уровне с помощью специальных аналитических методов. [7]

Палочковидные макромолекулы [ править ]

Термин лиотропный также применялся к жидкокристаллическим фазам , которые образованы определенными полимерными материалами, особенно теми, которые состоят из жестких стержневидных макромолекул, когда они смешаны с соответствующими растворителями. [8] Примерами являются суспензии стержневидных вирусов, таких как вирус табачной мозаики, а также искусственные коллоидные суспензии несферических коллоидных частиц. Целлюлоза и производные целлюлозы образуют лиотропные жидкокристаллические фазы, как и нанокристаллические ( наноцеллюлозные ) суспензии . [9] Другие примеры включают ДНК иКевлар , который растворяется в серной кислоте с образованием лиотропной фазы. Следует отметить, что в этих случаях растворитель снижает температуру плавления материалов, тем самым делая доступными жидкокристаллические фазы. Эти жидкокристаллические фазы ближе по архитектуре к термотропным жидкокристаллическим фазам, чем к обычным лиотропным фазам. В отличие от поведения амфифильных молекул, лиотропное поведение стержнеобразных молекул не предполагает самосборки . [ необходима цитата ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Барон, М. (2003). «Определения основных терминов, относящихся к низкомолекулярным и полимерным жидким кристаллам (Рекомендации ИЮПАК 2001 г.)». Pure Appl. Chem. 73 (5): 845–895. DOI : 10,1351 / pac200173050845 .
  2. ^ Самостоятельно собранные супрамолекулярные структуры: лиотропные жидкие кристаллы Н. Гарти, П. Сомасундаран, Р. Меззенга, Eds, Wiley 2012 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9781118336632
  3. ^ Lagerwall, Ян PF; Гиссельманн, Франк (2006). «Актуальные темы исследования смектических жидких кристаллов». ХимФисХим . 7 (1): 20–45. DOI : 10.1002 / cphc.200500472 . PMID 16404767 . 
  4. ^ Цичжэнь Лян; Пэнтао Лю; Ченг Лю; Сигао Цзянь; Динги Хонг; Ян Ли. (2005). «Синтез и свойства лиотропных жидкокристаллических сополиамидов, содержащих фталазиноновые фрагменты и эфирные связи». Полимер . 46 (16): 6258–6265. DOI : 10.1016 / j.polymer.2005.05.059 .
  5. Перейти ↑ Lewis 2006 , pp. 194
  6. Перейти ↑ Lewis 2006 , pp. 191
  7. ^ Доменичи, Валентина; Маркетти, Алессандро; Чифелли, Марио; Верачини, Карло Альберто (2009). «Динамика частично ориентированного L-фенилаланина-d8 в лиотропной системе CsPFO / H2O с помощью исследований релаксации 2H ЯМР». Ленгмюра . 25 (23): 13581–13590. DOI : 10.1021 / la901917m .
  8. ^ Блюмштейн, Александр, изд. (1985). Полимерные жидкие кристаллы . Springer США. DOI : 10.1007 / 978-1-4899-2299-1 . ISBN 978-1-4899-2301-1.
  9. ^ Клемм, Дитер; Крамер, Фредерик; Мориц, Себастьян; Линдстрем, Том; Анкерфорс, Микаэль; Грей, Дерек; Доррис, Энни (2011). «Наноцеллюлоза: новое семейство природных материалов». Angewandte Chemie International Edition . 50 (24): 5438–5466. DOI : 10.1002 / anie.201001273 . PMID 21598362 . 

Библиография [ править ]

  • Лафлин Р.Г. (1996). Поведение поверхностно-активных веществ в водной фазе . Лондон: Academic Press . ISBN 0-12-437760-2.
  • Феннелл Эванс Д. и Веннерстрём Х. (1999). Коллоидный домен . Нью-Йорк: Wiley VCH . ISBN 0-471-24247-0.
  • Джин, Хён Джун; Пак, Джэхён; Валлузи, Регина; Ким, Унг-Джин; Себе, Пегги; Каплан, Дэвид Л. (2006). «Биопереработка контрольного узла белков шелка». В Lewis, Randolph V .; Ренугопалакришнан, В. (ред.). Бионанотехнологии. Протеин для наноустройств . Springer. ISBN 978-1-4020-4219-5.