Спиральные структуры в жидких кристаллах. Как резонансное рентгеновское рассеяние помогает понять их строение
Островский Борис Исаакович
ФНИЦ «Кристаллография и Фотоника» РАН
Многие биоорганические молекулы образуют спиральные сверхструктуры, среди которых наиболее яркими примерами является спиральное упорядочение ДНК и пептидидов, состоящих из хиральных молекулярных блоков. Самые разнообразные геликоидальные структуры можно обнаружить и среди жидких кристаллов (ЖК): хиральные молекулы могут упаковывться в холестерические или различные смектические C* фазы с наклонном молекул в слоях и равномерной закруткой спирали. Самоорганизация ахиральных ЖК молекул в геликоидальные сверхструктуры встречается гораздо реже. Тем не менее, в последние годы было обнаружено несколько замечательных примеров спонтанного нарушения зеркальной симметрии с образованием наноразмерных геликоидов с противоположным знаком закрутки спирали. Речь идет о нематической (“twist-bend”) NТВ и наклонной смектической SmCТВ фазах, обнаруженных среди сильно изогнутых (‘bent-core”) и димерных ЖК соединений.
Разнообразные методы рентгеноструктурного анализа сыграли решающую роль в определении особенностей строения спиральных образований в широком семействе мягких материалов, включающих полимеры, биополимеры, ЖК, коллоиды и упорядоченные органические пленки. Хорошо известно, что при обычной дифракции на кристаллах имеются так называемые «запрещенные» рефлексы, которые не наблюдаются вследствие наличия несимморфных элементов симметрии, в частности винтовых осей 21 , 3n, 4n и 6n. Это не позволяет выявить в спиралях, образованных молекулами ЖК, сверхструктурные элементы, отвечающие периодичностям с шагом 3 – 6 периода слоев. Показано, что этот запрет может быть снят при использовании поляризованного рентгеновского излучения в полосе поглощения резонансного атома, ковалентно связанного с остовом ЖК молекулы. На примере различного типа спиралей, образуемых в хиральных смектиках C*, показано, что резонансные рентгеновские методы, позволяют не только выявить периодичность сверхструктур, но и определить являются ли соответствующие геликоиды одноосными или двуосными (сплюснутыми). Отмечена важность проведения резонансных рентгеновских исследований вблизи полосы К-поглощения в углероде, которым богаты органические молекулы, образующие ЖК фазы.