3. Твърди тела. Основни групи твърди тела. Свойства на кристалните и аморфните твърди тела. Течни кристали. Видове. Свойства. Приложение в медицината.

3.1. Свойства на твърдите тела.

Характерен признак на твърдите тела е способността им да запазват формата си. В зависимост от строежа им твърдите тела се разделят на две големи групи – кристални и аморфни. Същинските твърди тела са кристалните твърди тела. Аморфните твърди тела във физиката се разглеждат като преохладени течности с огромен вискозитет.

Характерен външен признак на кристалите е тяхната правилна геометрична форма. Това се дължи на факта, че градивните частици на кристалните твърди тела се разполагат във възлите на геометрична фигура, наречена кристална решетка. Всеки кристал може да бъде получен чрез многократно повторение на един и същ структурен елемент, наречен елементарна кристална клетка. В зависимост от вида на частиците, от които е изградена кристалната решетка, и от характера на силите на взаимодействие между тях, имаме четири основни групи кристални решетки – атомни, йонни, метални и молекулни кристали.

При атомните кристали във възлите на кристалната решетка са разположени атоми, свързани с ковалентна връзка. Йонните кристали са изградени от разноименно заредени йони, свързани с електрически кулонови сили на привличане. При металните кристали във възлите на кристалната решетка са разположени положителни йони на метала, а валентните им електрони образуват общ електронен газ. Молекулните кристали са изградени от молекули, свързани помежду си с Вандервалсови сили на взаимодействие.

Кристалните тела се срещат в две форми – монокристали и поликристали. Поликристалите представляват съвкупност от множество свързани помежду си безпорядъчно ориентирани малки монокристали.

Дефект в кристала се нарича нарушение на идеалната му структура. Дефектите можем да разделим на две групи – точкови и линейни (дислокации). Точковите дефекти се изразяват в отсъствие на градивен елемент (ваканция), замяна на структурен елемент с чужд или включване на добавъчен елемент между възлите на кристалната решетка. Дислокации възникват когато се наруши правилното подреждане на кристалните равнини.

Характерно свойство на кристалните тела е анизотропията. Това е зависимостта на много физични свойства (механични, топлинни, оптични и др.) от посоката в кристала. Причина за това е начина на подреждане на градивните частици в кристалната решетка. Друго свойство на кристалните твърди тела е съществуването на точно определена точка на топене и на втвърдяване.

Голяма част от свойствата на аморфните твърди тела са по-близки до тези на течностите. Аморфните тела са естествено изотропни и нямат определена точка на топене и втвърдяване. Например при повишаване на температурата аморфните вещества първо стават меки и след това се стопяват постепенно. Аналогично при охлаждане настъпва остъкляване, при което градивните частици на тялото застават в равновесни положения без да изграждат кристална решетка. При тях липсва далечен порядък, т.е. строга повторяемост на разположението на градивните частици във всички направления, а има само близък порядък подобно на течностите.

Важна група аморфни вещества са природните и синтетичните полимери. Те се състоят от вещества, молекулите на които представляват дълги вериги, съставени от голям брой звена от един и същ или различен вид, свързани с химични връзки. Процесът на получаването им се нарича полимеризация. Степента на полимеризация може да бъде от няколко единици до 5000-10000. Към полимерите се отнасят почти всички животински и растителни материали като вълна, коприна, коса, натурален каучук и др. Повечето от тях представляват прости или сложни белтъчни вещества като албумин, глобулин, казеин, колаген и др. В зависимост от формата и строежа на молекулите полимерите биват линейни, разклонени и мрежовидни. При полимерите се наблюдават и надмолекулни структури – глобуларни, лентови, фибриларни и др.

Свойствата на полимерите са много разнообразни. Една част от тях имат голяма твърдост и здравина, високи електроизолационни качества, корозоустойчивост, водоустойчивост и т.н. Това позволява от тях да се правят изкуствени протези.

3.2. Течни кристали

Съществува една особена група вещества, наречени течни кристали. Това са течности, които в определен температурен интервал притежават някои свойства, характерни само за кристалните твърди тела, като например анизотропия. Това състояние се нарича течнокристално или сега по-често използвания термин е мезоморфно състояние (от гръцката дума мезос - междинен). Под или над този температурен интервал тези вещества се държат като обикновени течности и анизотропните свойства изчезват. Двойствеността на физичните свойства на течните кристали се обуславя от вътрешния им строеж. Течнокристално състояние се наблюдава при вещества, молекулите на които имат удължена форма. Според вида на подредеждане на молекулите имаме три вида течни кристали –нематични, смектични и холестерични (Фиг. 3.1).

При нематичните течни кристали молекулите са ориентирани успоредно, но центровете им не са подредени в слоеве, а са разположени хаотично.

При смектичните течни кристали молекулите са подредени в слоеве с оси, успоредни една на друга. Те са течните кристали с най-висока степен на подреденост.

При холестеричните течни кристали молекулите са подредени в слоеве, като във всеки слой молекулите са подредени подобно на нематичните кристали. Между слоевете също има подреденост – при преход към съседен слой се променя на някъкъв ъгъл общата ориентация на слоя по отношение на предишния слой. Като цяло се получава структура, която е спирално подредена. Тази спирална подреденост може да се разруши под действието на електрични или магнитни полета, перпендикулярни на оста на спиралата, и тогава се образува нематична мезофаза.

По начина на получаване течните кристали се разделят на термотропни (различните фази се наблюдават при промяна на температурата) и лиотропни (възникват при разтварянето на амфифилни молекули (липиди или фософолипиди) в подходящ разтворител, най-често вода, при промяна на концентрацията).

В природата много биолoгични системи като полизахарида хитин, белтъци, ДНК и транспортна РНК образуват холестерични структури, вируси и биологични мембрани имат течно-кристален строеж.

Структурата на тези течни кристали е много чувствителна към малки външни въздействия и това може да доведе до значимо изменение на оптичните им свойства. Например промяна в температурата води до промяна в цвета, който може да се променя от виолетов до червен. Тази зависимост от температурата се използва в различни температурно-чувствителни сигнални устройства. В медицината се ползват лентички за измерване на температура, за установяване на разположението на вени, артерии, образувания с температура, различна от температурата на околните тъкани като възпалителни процеси и др., термометри за бебешки шишета, вани и т.н.(Фиг. 3.2).

Промяна в молекулната структура на течните кристали може да настъпи и под действието на нищожни количества химически вещества и това да се използва за направата на индикатори. На промяна в свойствата на течните кристали под действие на електрически полета се основава използването им в прибори и часовници като цифрови индикатори. Първият патент за нематични течни кристали в електрично поле и използването им за дисплеи в часовниците е от 1970 г. Освен за дисплеи, течни кристали могат да се използват и за екрани на телевизори, монитори и други устройства.