5. KAPALNÉ KRYSTALY

5. KAPALNÉ KRYSTALY 

Jiří Svoboda a , Milada Glogarová b 

a Ústav organické chemie, Vysoká škola chemicko-technologická, Technická 5, 166 28 

Praha 6, E-mail: Jiri.Svoboda@vscht.cz 

b Fyzikální ústav Akademie věd České republiky, Na Slovance 2, 182 21 Praha 8, E- 

mail: glogarova@fzu.cz 

Obsah 

5.1. Úvod 

5.2. Typy kapalných krystalů 

5.3. Kalamitické kapalné krystaly 

5.3.1. Vztah struktura-vlastnosti u kalamitických kapalných krystalů 

5.3.1.1. Struktura jádra 

5.3.1.2. Spojovací části 

5.3.1.3. Laterální substituenty 

5.3.1.4. Terminální skupiny 

5.3.2. Ferroelektrické a antiferroelektrické kapalné krystaly 

5.4. Diskotické kapalné krystaly 

5.5. Lomené (bent-shaped, banánovité) kapalné krystaly 

5.5.1. Uspořádání kapalně-krystalických fází 

5.5.2. Vliv molekulární struktury na vznik mesofáze lomených kapalných krystalů 

5.6. Supermolekulární kapalné krystaly 

5.7. Závěr 

5.8. Literatura 

5.1. ÚVOD 

Kapalné krystaly představují fascinující stav hmoty mezi tuhou a kapalnou fází. 

Unikátní vlastnosti, které se v tomto stavu projevují, někdy vedou k označení kapalněkrystalického 

stavu jako čtvrtého stavu hmoty. Výzkum v oblasti kapalných krystalů 

prošel v uplynulých třiceti letech bouřlivým vývojem 1-3 . Fenomén kapalných krystalů 

byl poprvé popsán již v roce 1888 botanikem F. Reinitzerem působícím na německé části 

Karlovy university. Do poloviny 60. let minulého století byly však kapalné krystaly 

předmětem jen okrajového zájmu specialistů a byly považovány víceméně za hříčku 

přírody. Teprve využití nematického krystalu pro konstrukci prvního displeje (1968) 

nastartovalo prudký rozvoj základního a aplikovaného výzkumu. Kapalné krystaly jsou 

jedním z mála typů supramolekulárních materiálů využívaných v technice a staly se molekulárními 

elektronickými materiály současné doby. Nacházejí široké uplatnění v optoelektronických 

zařízeních, světelných modulátorech, fotovodičích, polarizované světlo 

emitujících materiálech, termických, chemických a elektronických senzorech, systémech 

pro uvolňování léčiv, vysokonapěťových polymerech atd. V současné době přední 

světoví výrobci zobrazovacích zařízeních již opustili výrobu monitorů na bázi katodových 

trubic a přecházejí na výrobu plochých monitorů, mezi nimiž tzv. LCD monitory 

hrají významnou roli. 

143

Pojem „kapalný krystal“ dnes representuje řadu více či méně uspořádaných 

struktur vytvářených nejrůznějšími typy molekul. Dotýká se různých oblastí výzkumu 

zahrnujících obory chemie, fyziky, biologie, biochemie a má tak jednoznačně multidisciplinární 

charakter 4 . V biologii dnes např. zcela běžně operujeme s faktem, že některé 

bílkoviny, většinou součásti buněčných membrán, a dokonce i DNA, jsou svou povahou 

kapalně-krystalické. V této kapitole bude pozornost soustředěna především na základní 

charakterizaci kapalně-krystalických materiálů z hlediska fyzikálního, chemického 

i možného materiálového využití v zobrazovací technice. 

Supramolekulární chemie zahrnuje celou řadu nekovalentních vazebných interakcí. 

Z nich se v oblasti kapalných krystalů uplatňují dipól-dipólové interakce polárních 

funkčních skupin (C=O, C=N, C≡N, NO2 aj.). Permanentní dipóly i sekundární polarizovatelnost 

těchto skupin zvyšuje účinnost přitažlivých sil mezi nimi. Dále se uplatňuje 

vliv vodíkové vazby mezi atomem vodíku vázaným k elektronegativnímu atomu a 

sousedícím dipólem nebo funkční skupinou (COOH, OH, NH2) vedlejší molekuly, nevazebné 

π−π interakce aromatických systémů (π−π stacking) a především široká škála 

slabých van der Waalsových interakcí v důsledku polarizability elektronových oblaků 

uhlíkatých řetězců. Tyto interakce jsou aditivní a jejich maximalizace v kapalně-krystalickém 

i v tuhém stavu vytváří natěsnané rigidní struktury. Pro design nových molekul 

vykazujících spontánní uspořádávání se využívá i charge-transfer-interakcí a koordinace 

ligand-kov. 

5.2 TYPY KAPALNÝCH KRYSTALŮ 1 

Tvorba kapalně-krystalických fází v organických molekulách je typickým projevem 

spontánního uspořádávání (samoskladby či samoorganizace) indukované tvarem 

těchto molekul, snížením jejich symetrie a specifickými interakcemi mezi nimi (tzv. 

segregace mikrofází). Ačkoliv pro samoskladbu existuje spousta příčin, molekulární 

základ je vždy jednoduchý: anisotropní nebo amfifilní molekuly vytvářejí jednoduché 

stavební bloky, které dostačují k vybudování supramolekulárních systémů. V kapalněkrystalickém 

stavu (mesofázi) se kombinují vlastnosti jak krystalické (optická a elektrická 

anisotropie, uspořádanost) tak kapalné fáze (molekulární mobilita). Organické 

sloučeniny, které vytvářejí mesofáze, se označují jako mesogeny. Praktický význam 

kapalných krystalů tkví právě v tom, že takto uspořádané definované struktury reagují 

na vnější podmínky (elektrické, magnetické, mechanické) změnou uspořádání za vzniku 

nových konfigurací s minimem energie. A právě tyto vlastnosti se využívají v různých 

aplikacích. 

Kapalné krystaly se většinou dělí na dvě základní skupiny: thermotropní a lyotropní. 

Vznik mesofází v thermotropních kapalných krystalech je závislý na teplotě a 

stabilita mesofází se pohybuje v určitém teplotním intervalu. Lyotropní kapalné krystaly 

se skládají z amfifilních molekul rozpuštěných ve vhodném rozpouštědle (obvykle ve 

vodě) a tvorba mesofází je řízena koncentrací. Thermotropní kapalné krystaly lze podle 

molekulárního tvaru (obr. 5.2.1) zařadit do jedné ze tří podskupin: 

kalamitické (tyčinkovité, rod-like) 

diskotické (diskovité, disc-like) 

lomené (banánovité, bent-shaped) 

144

Obr. 5.2.1 

Zatímco tyčinkovité kapalné krystaly jsou známy více než sto let, diskovité kapalné 

krystaly jsou předmětem výzkumu od roku 1977 a bouřlivě se vyvíjející oblast banánovitých 

kapalných krystalů teprve od roku 1996. 

Charakteristickým znakem thermotropních mesogenních materiálů je jejich molekulární 

struktura vytvářená nejméně dvěma různými částmi, obvykle jednou částí rigidní, 

tvořenou aromatickými zbytky (jádro), a flexibilní částí, tvořenou dlouhými alkylovými 

řetězci. Tato duální struktura je nutná pro indukování částečného tání materiálu, 

ke kterému dochází v mesofázi. Kalamitické mesofáze jsou tvořeny geometricky vysoce 

nesymetrickými molekulami s minimální délkou 1300-1400 pm. Diskotické materiály 

vyžadují rigidni jádro víceméně diskovitého tvaru obklopené flexibilními postranními 

řetězci. Geometrické faktory, které ovlivňují tvorbu diskotických fází, jsou průměr a 

tvar jádra, typ, počet a poloha bočných řetězců a optimální vyplnění prostoru molekulami 

(space-filling). 

Většina běžných molekul, které tvoří kapalně-krystalické fáze, jsou tyčinkovitého 

tvaru (tzv kalamitické), tj. jedna molekulární osa je mnohem delší než ostatní dvě. 

Takové molekuly vytvářejí mnoho různých fází. Je důležité, aby molekuly, alespoň 

v určité části délky, byly rigidní, neboť musí udržovat prodloužený tvar a tak vytvářet 

interakce, které budou podporovat uspořádanost molekul v mesofázi. Rigidní část se 

nazývá jádro. Příkladem takové molekuly může být Schiffova báze 1. 

C 5 H 11 O 

1 

N C 6 H 13 

Molekuly diskovitého tvaru, tj. molekuly s jednou molekulární osou mnohem 

kratší než ostatní dvě, rovněž tvoří mesofáze, kde zásadním příspěvkem k jejich tvorbě 

je rigidita centrální části. Jádro diskotického kapalného krystalu je často odvozeno od 

symetrických kondenzovaných aromátů, jako je trifenylen, truxen, porfyrin atd. Tyto 

kruhy jsou substituovány šesti až osmi prodlužujícími rameny podobnými typickým 

kalamitickým molekulám, viz typická struktura 2. 

145

C 8 H 17 O 

C 8 H 17 O 

O 

O 

O 

O 

O 

O O 

O 

O 

OC 8 H 17 

OC 8 H 17 

O 

O 

O 

2 

OC 8 H 17 

OC 8 H 17 

Nedávno byl teoreticky předpovězen a v současné době je intenzivně zkoumán 

nový typ krystalů s výraznou anisotropií molekulární struktury – lomené kapalné krystaly 

(často též zmiňované jako banánovité kapalné krystaly), které vytvářejí zcela nové 

a odlišné typy smektických mesofází. Doposud bylo objeveno a popsáno osm nových 

mesofází, řada z nich se vyskytuje v několika subtypech. Většina banánovitých kapalných 

krystalů je odvozena od resorcinolu, tvořícího jádro (např. sloučenina 3). Vazebný 

úhel obou prodlužujících ramen je tak zhruba fixován kolem 120°. 

C 8 H 17 O 

N 

O 

O 

3 

O 

O 

N 

OC 8 H 17 

Lyotropní kapalné krystaly vytvářejí mesofáze v určitém typu rozpouštědla. Pro 

stabilitu mesofáze je přitom koncentrace roztoku významnější než teplota. Molekuly 

látek vytvářejících lyotropní kapalné krystaly jsou kombinací hydrofilní (polární) části 

s jedním nebo více hydrofilními řetězci. Takovéto amfifilní molekuly vytvářejí uspořádané 

struktury jak v polárních tak nepolárních rozpouštědlech. Jednoduchým příkladem 

takových struktur jsou mýdla nebo fosfolipidy (např. struktura 4). 

146

N + 

O P O O 

O O 

O 

O 

O 

4 

Po rozpuštění v polárním rozpouštědle, jako je voda, se hydrofobní řetězce uspořádají 

tak, že hydrofilní část směřuje do vody – vytvářejí se micely (u mýdel) nebo dutiny (u 

fosfolipidů) (obr. 5.2.2). Mohou také vznikat dvouvrstvé - nejčastěji lamelární struktury, 

kde jsou uhlovodíkové řetězce separovány od vody polární skupinou. Takovéto lamelární 

struktury mají pro fosfolipidy mimořádný význam, neboť lipidická dvouvrstva je 

strukturní jednotkou biologických membrán. 

micela dutina 


Jsou-li amfifilní molekuly vloženy do nepolárního prostředí (jako je hexan), vznikají 

podobně organizované struktury, kde nepolární část molekuly je v kontaktu s rozpouštědlem 

– vznikají tzv. inverzní micely. 

Protože problematice samoskladby amfifilních systémů je věnována kapitola 6 a 

7 tohoto kursu, nebude zde oblast lyotropních kapalných krystalů podrobněji diskutována. 

5.3. KALAMITICKÉ KAPALNÉ KRYSTALY 1-8 

Tvorbu mesofází lze chápat jako jev postupného tání krystalu. Z hlediska supramolekulární 

chemie jsme však spíše zvyklí sledovat postupnou samoskladbu molekul. 

Z tohoto pohledu bychom na celý jev tvorby mesofáze měli nahlížet ze strany opačné – 

chlazením isotropní kapaliny vznikají různé kapalně-krystalické stavy; postupné ochlazování 

vede k rostoucí organizovanosti molekul a konečně k vytvoření rigidní krystalické 

mřížky. 

Jak již bylo uvedeno, kalamitické mesogeny jsou tvořeny tyčinkovitými molekulami 

s rigidním jádrem. V krystalickém stavu jsou tyto molekuly drženy pohromadě silnými 

přitažlivými silami, které jsou v důsledku tvaru molekuly také anisotropické. 

Zahříváním krystalu dochází k postupnému rozvolňování krystalové mřížky (obr. 5.3.1). 

Pokud jsou laterální mezimolekulové přitažlivé síly silnější než přitažlivé síly terminálních 

řetězců, dojde při ohřátí (T1) k jejich přerušení a vznikají smektické mesofáze. 

Při dalším růstu teploty (T3) je zrušeno translační uspořádání a vzniká lamelární 

vrstevnatá struktura, ve které již nejsou vrstvy dokonale definovány. Podle různých 

147

korelací ve vrstvách a mezi vrstvami je možno rozlišit pět smektických fází a dalších 

šest kvasismektických neuspořádaných krystalických mesofází. Další zvýšení teploty 

(T4) vede ke vzniku nematické fáze, která má jen orientační uspořádání. Při ztrátě orientačního 

uspořádání (T5) vznikne isotropní kapalina (I). Žádný kapalně-krystalický 

materiál nevykazuje všechny kapalně-krystalické fáze, mnoho sloučenin však tvoří 

jednu až tři mesofáze. 


V nematické fázi jsou zúčastněné molekuly navzájem zcela neuspořádané, ale 

jejich dlouhé molekulové osy jsou orientovány jedním preferovaným směrem (direktor 

n) (obr. 5.3.2 (a)). Jedná se o fázi nejméně uspořádanou s vysokým stupněm fluidity. 

Tato fluidita společně s anisotropickou povahou molekul je principiální pro konstrukci 

kapalně-krystalických displejů. Fluidní nematická fáze má nízkou viskozitu a nematické 

materiály lze navrhovat tak, aby molekulární orientace mohla být přepínána v elektrickém 

poli. Rozdílné optické vlastnosti v obou směrech orientace molekul umožňují aplikace 

v displejích. 

148

(a) (b) 


Zavedení chirality do anisotropních molekul způsobuje makroskopickou chiralitu 

kapalně-krystalických fází. Chirální kapalné krystaly se pak organizují do pravotočivých 

či levotočivých spirálových struktur. Cholesterylbenzoát, na kterém byl kapalně-krystalický 

stav objeven (r. 1888), vykazoval mesofázi, kterou nyní označujeme 

jako chirální nematickou fázi (N*) (dříve podle zkoumaného materiálu označovaná jako 

fáze cholesterická). Dnes existuje mnoho chirálních materiálů vykazujících N*-fázi. 

Chirální nematická fáze je analogicky jako u nechirálních látek tvořena molekulami 

uspořádanými statisticky paralelně s direktorem n. Chiralita molekul však způsobuje 

mírnou a postupnou rotaci direktoru n a tato postupná změna direktoru opisuje spirálu 

vykazující materiálově specifické a teplotně závislé stoupání závitu (angl. pitch) (obr. 

5.3.2 (b)). Nematická fáze je tedy zkroucena podél jedné osy, která je kolmá na direktor 

(jednoduchý twist). Při vyšší teplotě mají zúčastněné molekuly vyšší termickou energii, 

změna úhlu direktoru je větší a pitch je kratší (těsnější). Poklesem teploty se naopak 

délka závitu prodlužuje. Spirálová struktura má schopnost selektivně odrážet světlo o 

vlnové délce rovné délce stoupání závitu helixu. Aby k tomu však došlo, musí být osa 

spirály rovnoběžná se směrem procházejícího paprsku. Pokud je délka závitu v oblasti 

vlnové délky viditelného bílého světla, odráží se selektivně barevné světlo. To je principem 

komerčně využívaných chirálních nematických materiálů v termochromních 

zařízeních, teploměrech a dalších zařízeních, které, v důsledku změny kroku spirály, 

mění barvu v závislosti na teplotě, např. části oděvů, inkousty, barvy, atd. 

Smektická fáze je organizovanější a vykazuje polymorfismus. To je důsledkem 

vrstevnaté povahy mesofáze, což umožňuje různé kombinace molekulárních korelací 

jak ve vrstvách tak mezi vrstvami. S rozvojem experimentálních technik byla objevena 

řada fází s vrstevnatou strukturou, jako jsou základní typy SmA a SmC fáze (je nutno 

připomenout, že písmenné označení jednotlivých smektických fází je arbitrární a je 

dáno pořadím, ve kterém byly tyto fáze objevovány a charakterizovány). Zatímco 

149

molekuly v SmA fázi jsou orientovány v průměru paralelně a kolmo na rovinu vrstvy, 

ve smektické C fázi jsou sice orientovány paralelně, ale odkloněny od normály vrstvy o 

určitý úhel (angl. tilt), závislý na teplotě (obr. 5.3.3). 

SmA SmC 


n 

tilt 

θ 

smektická rovina 

pohled 

shora 

Smektická B fáze (SmB) je výše organizovaná SmA fáze, kde zúčastněné molekuly mají 

hexagonální uspořádání ve vrstvách (vazebně orientační uspořádání). Toto uspořádání 

je ale nepřesné a v rozsahu 1500-6000 pm se ztrácí (jde o tzv. hexatické uspořádání). 

Od hexagonální struktury SmB fáze se odvíjejí dvě tiltované fáze, SmI a SmF fáze, u 

kterých jsou molekuly odkloněny od normály buď směrem k vrcholu nebo ke straně hexagonální 

mřížky (na obr 5.3.4 je směr tiltu znázorněn směrem průmětu molekuly do 

„trojúhelníku“). Vedle těchto pravých smektických fází existují ještě výše organizované 

krystalické smektické fáze. V krystalové fázi B jsou molekuly orientovány hexagonálně, 

navíc se však polohy hexagonální mřížky dají předvídat trojrozměrně v dalekém dosahu. 

Krystalová fáze E se odvíjí z kontrakce hexagonální mřížky, což propůjčuje 

herring-bone strukturu s omezenou rotací. Krystalová fáze J a fáze G jsou tiltované 

analogy fáze B a konečně krystalová fáze K a fáze H jsou příslušné tiltované analogy 

fáze E; směr direktoru udávají šipky (obr. 5.3.4). 


Přehled všech smektických fází uvádí tabulka 5.3.1. 

150

Tabulka 5.3.1 

Některé vlastnosti kapalně-krystalických a krystalických vrstevnatých fází 

Netiltované fáze Tiltované fáze Uspořádanost Korelace mezi 

v rovině 

rovinami 

SmA SmC žádná žádná 

hexatická SmB hexatická SmF, SmI uspořádanost vazeb krátkého dosahu 

krystalová B krystalová G, J polohová dalekého dosahu 

krystalová E krystalová H, K polohová dalekého dosahu 

Analogicky jako u nematické fáze vede zavedení chirality do anisotropické molekuly 

k tvorbě chirálních smektických fází. Nejvýznamnější z nich je chirální smektická 

C fáze (SmC*). Tato fáze je rovněž lamelární a molekuly ve vrstvě jsou odkloněny 

od normály vrstvy o teplotně závislý úhel θ (obvykle kolem 25 °, existují však materiály 

s molekulami odkloněnými až o 45 °, tzv. orthokónická smektika). Molekulární chiralita 

však způsobuje mírnou a postupnou změnu směru orientace tiltu (při zachování jeho velikosti 

vzhledem k normále vrstvy). Výsledkem je vytvoření struktury, která se nazývá 

helikální (nejde o jednoduchou spirálu jako u N*, kde direktor je kolmý na normálu 

rovin). Velikost pitche (zhruba 1000-10000 nm) je téměř teplotně nezávislá. 

Prostorová symetrie SmC* fáze je na rozdíl od achirální SmC fáze zredukována 

na dvoučetnou rotační osu. I když molekuly podléhají rychlému reorientačnímu pohybu, 

celkové snížení symetrie vede k neekvivalenci dipólových momentů podél osy C2, která 

je kolmá na normálu vrstev a na dlouhou osu molekul (direktor). Taková neekvivalence 

generuje spontánní polarizaci (PS) podél této osy, její směr se mění s měnícím se směrem 

tiltu v helixu. Pochopitelně se celková hodnota PS v rámci jednoho závitu helixu 

zkompenzuje na nulu. Každá vrstva chirální smektické fáze však je ferroelektrická (obr. 

5.3.5). 


151

Rozvinutím helixu pod vlivem elektrického pole pak vzniká pravá ferroelektrická fáze, 

která má nenulovou spontánní polarizaci. Vznik PS v rovině vrstev se často ilustruje 

použitím molekul „rybího“ tvaru, kde asymetrie vzniká odkloněním molekuly (obr. 

5.3.6). Směr polarizace v prvním stavu vychází z nákresny (černé oko) pro obě orientace 

molekul s hlavou nahoru či dolů. Zároveň se složky dipólového momentu, které 

neleží v rovině vrstev, vykompenzují statisticky stejným počtem molekul s hlavou nahoru 

a dolů. Obrácením polarity přiloženého pole se polarizace orientuje rovnoběžně 

s polem tak, že odkloněné molekuly se přetáčejí po konusu (viz obr. 5.3.5). Směr polarizace 

pak směruje do nákresny (bílé oko). Po vypnutí pole se struktura opět zkroutí. 


Jiná situace nastává u tenkých vzorků, kde spirálová struktura je působením 

povrchů rozvinutá. Elektrické pole pak převrací strukturu stejně jako u tlustých vzorků, 

po vypnutí pole se struktura nezkroutí, ale zůstává v poslední dosažené orientaci. Toto 

bistabilní přepínání je díky značnému optickému kontrastu a značné rychlosti odezvy 

(desítky mikrosekund) z hlediska aplikací nejnadějnější jev v kapalných krystalech a je 

využíván pro konstrukci ferroelektrických displejů i obrazovek. Čím vyšší hodnota 

polarizace a nižší materiálová viskozita, tím kratší je přepínací rychlost. Zatímco rychlost 

přepínání v současné době na trhu nejlepších monitorů na bázi tzv. supertwistovaných 

nematik se přiblížila jednotkám milisekund, rychlost přepínání ferroelektrických 

materiálů je řádově pouze desítky mikrosekund. 

Uspořádání chirální SmC fáze, které vede k ferroelektricitě, však není jediné 

možné. Jestliže směr tiltu chirálních molekul v lamelární struktuře alternuje od vrstvy 

k vrstvě, vytváří se „cik-cak“ struktura a celková polarizace této tzv. antiferroelektrické 

fáze (SmC * A) se vykompenzuje už v rámci dvou vrstev (obr. 5.3.7). Přiložením elektrického 

pole kolmo na normálu vrstev se indukuje ferroelektrické uspořádání vrstev, 

které lze přepínat změnou polarity pulsu. Po odstranění elektrického pole se regeneruje 

antiferroelektrické uspořádání. Takové systémy pak vedou k tzv. třístabilnímu přepínání, 

které je pro některé aplikace výhodnější oproti normálnímu ferroelektrickému uspořádání. 

152

ferroelektrické ferrielektrické antiferroelektrické uspořádání 


Třetí možné uspořádání lamelárních vrstev je ferrielektrické (SmC * ferri), kde ke 

změně tiltu nedochází po každé vrstvě (viz obr. 5.3.7). Makroskopická polarizace těchto 

fází je nenulová, její velikost závisí na stupni alternace direktoru tiltu. 

5.3.1. Vztah struktura-vlastnosti u kalamitických kapalných krystalů 

Protože prostor kapitoly je do značné míry omezen, budou diskutovány jen nejzákladnější 

parametry týkající se mesomorfních vlastností kapalných krystalů. 

Během minulého století bylo připraveno obrovské množství kapalně-krystalických 

materiálů. I když struktura mnoha z nich si je velmi podobná, každý má svoji specifickou 

kombinaci strukturních částí, která tak uděluje danému materiálu určité mesomorfní 

chování a hodnotu teploty tání a přechodových teplot. Obecnou strukturu kapalného 

krystalu je možno znázornit blokovou strukturou 5 

M N 

R X A Y B Z R´ 

5 , 

kde A a B představují jednotky jádra, které jsou (ale nemusí být) spojeny spojkou Y. 

Centrální jádro je pak prodlouženo řetězci R, R´ připojenými k jádru buď přímo nebo 

prostřednictvím funkčních skupin X a Z. Laterální substituenty (M a N) se často zavádějí 

do jádra pro modifikace mesomorfního chování a fyzikálních vlastností kapalného 

krystalu. Centrální jednotky a jejich kombinace určují typ mesofáze a udržují rigiditu 

struktury a tím i anisotropickou molekulární strukturu. Často se jedná o lineárně spojené 

aromatické systémy (benzen-1,4-diyl, pyrimidin-2,5-diyl, naftalen-2,6-diyl aj.), mohou 

to však být i alicyklické jednotky (např. trans-cyklohexan-1,4-diyl). Spojka Y udržuje 

linearitu struktury jádra (např. COO, C≡C, trans-CH=CH, CH2CH2). Rigidní jádro 

samo o sobě obvykle není schopno generovat mesofáze, neboť pro zajištění rozumného 

nízké teploty tání a pro stabilizaci molekulárního uspořádání v mesofázi je nutná určitá 

flexibilita molekulární struktury. Flexibility se dosahuje terminálními substituenty R a 

R´, což jsou obvykle lineární alkylové a alkoxylové řetězce, u nematických materiálů je 

však často jednou z koncových skupin polární substituent (např. CN, F, NCS, NO2). 

Někdy mohou být také terminální řetězce rozvětveny nebo substituovány. Laterální sub- 

153

stituenty (M a N) jsou často potřebné pro optimalizaci fyzikálních vlastností ke konkrétnímu 

použití. Pro tyto účely bylo využito mnoho různých typů substituentů (F, Cl, 

CN, CH3, OCH3 aj.); nejefektivnějším z nich je fluor, kde se kombinuje malá velikost 

atomu s jeho vysokou elektronegativitou. 

Obecně platí, že tvorba nematické fáze je podporována při použití relativně krátkých 

koncových řetězců (delší řetězce naopak stabilizují lamelární uspořádání) a současně 

jádra s vysokou podélnou polarizabilitou. Toho se dosáhne kratším jádrem a/nebo 

konjugovanými spojkami. Zkušenost také ukázala, že relativní schopnost tvorby nematické 

fáze klesá při použití koncové skupiny v pořadí Ph > NHCOCH3 > CN > OCH3 > 

NO2 > Cl > Br > N(CH3)2 > CH3 > F > H. 

Podobné strukturní principy však platí i pro generování všech typů smektických 

fází. Tvorba tiltovaných fází jako SmC fáze má navíc určité polární strukturní požadavky. 

Protože smektická fáze je uspořádanější než fáze nematická, musí molekulární 

struktura umožňovat vznik laterálních mezimolekulových přitažlivých sil. Vznik smetických 

fází je proto podporován symetrickou strukturou, např. u molekul s plně aromatickým 

nebo alicyklickým jádrem prodloužené kompatibilními terminálními alkyl/alkoxy-řetězci. 

Takové struktury se dobře skládají do vrstevnaté struktury. Jakékoliv narušení 

symetrie, nebo příliš dlouhé jádro vzhledem k celkové délce molekuly, destabilizuje 

smektickou fázi a podporuje tvorbu nematické fáze. Podobně použití laterálních 

substituentů vede k rozšíření jádra (zmenší se poměr délka/šířka) molekuly a dochází 

k porušení lamelární struktury. Pokud molekulární struktura není dostatečně optimalizována 

pro vznik smektické fáze, z celého mesomorfního chování zbude jen nematická 

fáze. Vztah mezi strukturou a tvorbou nematické/smektické fáze bude dále krátce 

diskutován s ohledem na strukturu jádra, použitých spojek, laterálních substituentů a 

koncových řetězců. 

5.3.1.1. Struktura jádra 

Jádro je obvykle definováno jako rigidní útvar složený z lineárně spojených jednotek. 

Často zahrnuje i přítomné spojky a laterální substituenty vázané na kruhy. Většina 

kalamitických krystalů obsahuje aromatické, heteroaromatické a alicyklické kruhy. 

Je přitom obtížné zobecnit, které typy jádra poskytují nematické a které určitý 

typ smektické fáze. Tvorba nematické fáze je preferována, pokud není možné vytvořit 

lamelární uspořádání a těsné uložení molekul a pokud jsou terminální řetězce krátké. 

V mnoha případech lze použít pro tvorbu nematické i smektické fáze téhož jádra a pak 

terminální řetězce diktují typ vytvořené fáze. Aby se smektická fáze vytvořila, musí dojít 

k tzv. separaci mikrofází, kde centrální jádro tvoří jednu doménu a koncové alkylové 

řetězce druhou doménu. Tato separace je řízena buď energeticky (interakce typu jádro/jádro 

a řetězec/řetězec je výhodnější než interakce jádro/řetězec) nebo entropicky 

(interakce mezi jádrem a řetězcem nevýhodně působí na orientaci řetězce). 

Jednoduché 4-alkyl- nebo 4-alkoxybenzoové kyseliny (5-7) jsou strukturně příliš 

jednoduché na to, aby vytvářely mesofáze. Protože však existují jako dimery spojené 

vodíkovými vazbami, vytváří se dostatečně anisotropní molekula se třemi kruhy v jádře. 

Pokud se navíc prodlouží délka alkylového řetězce, podpoří se tvorba smektické fáze 

v širokém teplotním rozsahu a tvorba nematické fáze se potlačí. 

154

C 5 H 11 

C 8 H 17 O 

C 10 H 21 O 

O 

HO 

OH O 

O 

HO 

OH O 

O 

HO 

OH O 

C 5 H 11 

OC 8 H 17 

OC 10 H 21 

5 Cr 88 N 127 I 

6 Cr 101 SmC 108 N 147 I 

7 Cr 97 SmC 122 N 142 I 

Podobné závěry lze konstatovat i u 4´-alkylbifenyl-4-karbonitrilů 8-12, které 

byly prvními komerčně využitými nematickými kapalnými krystaly. 

R CN 

8 R = C 5 H 11 Cr 24 N 35 I 

9 C 6 H 13 Cr 15 N 29 I 

10 C 8 H 17 Cr 22 SmA 34 N 41 I 

11 C 9 H 19 Cr 42 SmA 48 N 50 I 

12 C 10 H 21 Cr 44 SmA 51 I 

Vliv změny struktury jádra na mesomorfní chování a tvorbu nematické fáze 

ilustrují struktury 13-16. Zavedení isosterického pyrimidinového zbytku (sloučenina 13) 

v porovnání ze základní strukturou 8 vede ke zvýšení přechodových teplot, neboť mezi 

oběma kruhy se snížila sterická zábrana a oba aromatické kruhy mohou zaujmout planární 

uspořádání. Přidání dalšího kruhu (terfenylový derivát 14) vede k prodloužení lineárního 

jádra, což vede ke značnému vzrůstu přechodových teplot a šířky nematické 

fáze. 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

8 Cr 24 N 35 I 

N 

N 

CN 

CN 

C 5 H 11 

13 Cr 71 N (52) I 

C H 5 11 

C5H11 CN CN 

14 Cr 130 N 239 I 

15 Cr 84 N 127 I 

16 Cr 68 N 130 I 

Zavedením 2,6-disubstituovaného naftalenu v látkách 15 a 16 se jádro prodlouží, 

ale současně se rozšiřuje. Snížení poměru délka/šířka pak vede k destabilizaci mezofází 

a snížení přechodových teplot. 

Náhradou jednoho či více aromatických kruhů alifatickými systémy se významně 

snižuje polarizabilita jádra. Na druhé straně však jsou alifatické kruhy schopné 

těsně se uložit a tak generovat mesofáze. Náhrada jedné fenylové skupiny (sloučenina 

17) vede k rozšíření nematické fáze o 20 °C. Obrácená kombinace jader (18) vede 

155 

CN

k podstatnému poklesu přechodových teplot. Plně alifatická struktura 19 nebo 

symetrická struktura bicyklooktanového kruhu 20 vede ke stabilizaci nematické fáze. 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

17 Cr 31 N 55 I 

18 Cr

C 5 H 11 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

24 Cr 26 Sm 48 Sm 52 I 

25 Cr 40 SmB 110 I 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

26 Cr 190 SmA 213 I 

27 Cr 13 SmB 164 N 166 I 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

Systémy s třemi kruhy mají vyšší poměr délka/šířka a vykazují tedy vyšší stabilitu 

mesofáze (26). Náhradou jednoho fenylového kruhu za cyklohexanový (sloučenina 

27) se podporuje separace mikrofází a snížení stability smektické fáze. 

Do jádra kapalných krystalů byly zavedeny i pětičlenné heterocyklické systémy 

odvozené především od thiadiazolu (28) a thiofenu (29). V důsledku toho dochází 

k mírnému ohybu struktury, molekula však celkově zůstává dlouhá a úzká. Laterální dipól 

heteroatomu (dusík, síra) a přítomnost etherového atomu kyslíku v terminálním 

řetězci podporují odklon molekuly od normály a vytváří se tak SmC fáze. 

C 5 H 11 

C 8 H 17 O 

F F 

5.3.1.2. Spojovací skupiny 

N 

S 

N 

S 

OC 8 H 17 

C 5 H 11 

28 Cr 80 SmC 167 N 182 I 

29 Cr 78 SmC 110 N 124 I 

Spojky slouží k propojení jednotlivých strukturních částí jádra a připojení terminálních 

řetězců. Spojovací funkční skupiny se tradičně používají k prodloužení 

molekulárního jádra a zvýšení jeho polarizační anisotropie a tím ke zvýšení stability a 

teplotního intervalu kapalně-krystalických fází. Aby zůstalo zachováno mesomorfní 

chování, musí tyto spojky zachovat linearitu jádru a umožňovat segregaci mikrofází 

(nesmí se přerušit oblasti s vysokou polarizabilitou). Jako spojky se osvědčila řada polárních 

funkčních skupin, které často obsahují násobné vazby, čímž se konjugace a 

rigidita jádra dále rozšíří. Běžně se pro tyto účely používají iminoskupiny CH=N, 

azoskupiny N=N, esterové funkce COO, etherová seskupení CH2O nebo ethylenové 

jednotky CH2CH2, trans-dvojné CH=CH a trojné vazby C≡C (30-35). 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

8 Cr 24 N 35 I 

N 

30 Cr 46 N 75 I 

CN 

CN 

157 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

O 

O 

33 Cr 65 (N 55) I 

O 

34 Cr 49 (N -20) I 

CN 

CN

C 5 H 11 

C 10 H 21 O 

N 

N 

31 Cr 89 (N 87) I 

CN 

N C C 

H H 

32 Cr 76 SmC* 95 SmA 117 I 

O 

O 

C 5 H 11 

* 

35 Cr 62 (N =24) I 

Sloučenina 32 kromě iminové spojky obsahuje mezi jádrem a terminální skupinou ještě 

další prodlužující zbytek odvozený od skořicové kyseliny. Je prvním materiálem, který 

vykazoval vznik chirální SmC* fáze a ferroelektricitu. Esterová funkční skupina (materiál 

33) patří mezi nejběžnější spojky, protože je relativně stálá, snadno synteticky 

dostupná a její použití má za následek příznivé snížení přechodových teplot. Tato skupina 

způsobuje sice lokální zalomení struktury, ale celková linearita je zachována. 

V porovnání se základní bifenylovou strukturou vykazuje sloučenina 33 vyšší stabilitu 

nemátické fáze, teplota tání však stoupla natolik, že vzniká metastabilní monotropní 

nematogen. Záměna esterové spojky za etherovou (34) nebo její úplná náhrada za ethylenovou 

jednotku (35), je nevýhodná, neboť dochází k separaci dvou oblastí s vysokou 

polarizabilitou a tím k celkové nestabilitě nematické fáze. 

C 5 H 11 

36 Cr 55 N 101 I 

CN 

C 5 H 11 

37 Cr 80 (N 71) I 

Vhodnou spojovací jednotkou je násobná vazba (36), avšak trojná vazba v důsledku 

menší efektivity konjugace a polarizability je méně výhodná (37). 

Polární esterová spojka rovněž může podporovat vrstevnaté uložení molekul a 

generování smektických fází. To však platí tehdy, pokud oba terminální řetězce jsou 

dostatečně dlouhé. Při použití alkoxyskupin se generuje tiltovaná SmC fáze (látky 38 až 

40). 

C 5 H 11 

C 8 H 17 O 

O 

O 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

38 Cr 35 (N 26) I 40 Cr 36 (SmA 29) N 48 I 

O 

O 

39 Cr 63 SmC 74 N 91 I 

OC 8 H 17 

O 

O 

CN 

CN 

C 5 H 11 

Z uvedeného vyplývá, že z hlediska materiálových aplikací není efekt spojovací 

skupiny vždy přínosný. Některé spojky jsou zdrojem termické i chemické nestability a i 

jinak nepříznivě ovlivňují některé fyzikální vlastnosti. Esterová skupina tak např. zvyšuje 

viskozitu a snižuje optický dvojlom, obojí je nevýhodné pro elektrooptické aplikace. 

158

5.3.1.3. Laterální substituenty 

Do různých typů jader kapalných krystalů bylo zavedeno velmi mnoho různorodých 

substituentů (např. F, Cl, Br, CN, NO2, CH3, CF3). Laterální substituent je 

připojen vazbou vystupující z lineární osy molekuly. Obecně lze vliv laterálního substituentu 

charakterizovat sterickým a polárním efektem. Velký význam hraje i poloha 

substituentu v konkrétní struktuře jádra. Velikost sterického efektu je dána van der 

Waalsovým poloměrem příslušného substituentu. Protože laterální substituent vystupuje 

do strany (napříč) lineární molekuly, narušuje efektivní ukládání molekul a snižuje stabilitu 

kapalně-krystalické fáze. Polarita substituentu naopak přispívá k vytváření mezimolekulových 

interakcí, což ovlivňuje molekulární tilt a dielektrickou anisotropii molekuly. 

Laterální substituce je významná pro design a konstrukci nematických i smektických 

systémů. 

Nejpoužívanějším laterálním substituentem je fluor. Kombinace jeho nepříliš 

vysokého sterického efektu a polarity umožňuje významně modelovat fyzikální vlastnosti 

materiálů při zachování stability kapalně-krystalických fází. Laterální substituce 

atomem fluoru je velmi důležitá v nematických a ferroelektrických směsích, neboť poskytuje 

materiály se zvýhodněnými fyzikálními vlastnostmi pro aplikace v displejích. 

C 3 H 7 

C 3 H 7 

C 3 H 7 

F 

F 

C 3 H 7 

C 3 H 7 

C 3 H 7 

41 Cr 67 SmA 119 N 144 I 

42 Cr 40 N 108 I 

43 Cr 59 (SmA 34) N 108 I 

Zatímco základní struktura 41 vykazuje vysokou teplotu tání a vysokou stabilitu smektické 

fáze, zavedení laterálního atomu fluoru přerušuje lamelární uspořádání a snižuje 

stabilitu smektické fáze natolik, že se vůbec neobjeví (sloučenina 42) a vznikne pouze 

široká nematická fáze. Poloha fluoru je zcela zásadní. V jedné poloze (sloučenina 42) 

vzniká čistě nematogen, vstup fluoru do druhé polohy sice zachová přechodové teploty, 

schopnost tvorby smektické fáze je však slabě zachována (sloučenina 43). V obou strukturách 

atom fluoru způsobuje větší zkroucení fenylových jader než atom vodíku v nesubstituované 

molekule. To samozřejmě vede ke snížení podélné polarizability a v kombinaci 

se sterickým efektem k redukci stability mesofáze. 

Laterální fluorový substituent byl často používán pro generování materiálů vykazujících 

SmC fázi, kde atom fluoru svým dipólem způsobuje molekulární tilt. Při spojení 

třech fenylových jader pak sice dochází ke značné redukci smektického chování, 

ale zbývající charakter materiálu dostačuje k tvorbě SmC fází (44-46). Zavedení dvou 

atomů fluoru (sloučenina 47) vede ke dvojnásobnému snížení stability a dalšímu omezení 

mesomorfního chování. 

159

C 5 H 11 

A B 

OC 8 H 17 

44 A = B = H Cr 195 SmB 211 SmA 222 I 

45 A = F, b = H Cr 69 SmG 83 SmB 101 SmC 124 SmA 158 N 161 I 

46 A = H, B = F Cr 47 SmI 54 SmC 117 SmA 130 N 155 I 

47 A = B = F Cr 49 SmC 95 N 142 I 

Přítomnost dvou atomů fluoru v koncovém řetězci přitom má na tvorbu smektické fáze 

menší vliv, zvyšuje však přechodové teploty (látky 48-50). 

C 5 H 11 

C 7 H 15 

C 7 H 15 

F F 

F F 

F F 

5.3.1.4. Terminální skupiny 

OC 8 H 17 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

48 Cr 89 SmC 156 SmA 165 N 166 I 

49 Cr 56 SmC 106 SmA 131 N 136 I 

50 Cr 49 SmC 77 SmA 93 N 109 I 

Při syntéze kapalných krystalů jsou používány nejrůznější terminální skupiny a 

řetězce, které mají ve struktuře specifické úlohy. Strukturně malé jednotky zahrnují 

většinou polární skupiny (nejvýznamnější je CN) a delší alkylové nebo alkoxylové řetězce. 

Úloha koncových skupin a řetězců pro generování mesomorfního chování není 

ještě zcela jasná, nicméně již dnes lze učinit některé obecné závěry. Například je známo, 

že dlouhé alkylové/alkoxylové řetězce zvyšují flexibilitu rigidního jádra, což vede ke 

snížení teplot tání a indukci tvorby mesofází. Dále se má za to, že alkylové/alkoxylové 

řetězce zodpovídají za stabilizaci molekulární orientace potřebné pro tvorbu mesofáze. 

Polární skupiny sice nutně teplotu tání nesnižují. Jejich úloha spočívá ve vytváření 

silných mezimolekulových sil a přitažlivých interakcí, které rovněž slouží při stabilizaci 

molekulové orientace. Volba typu koncové skupiny je zásadní pro generování specifického 

typu kapalně-krystalické fáze. Níže uvedené příklady dokumentují rozdílný vliv 

těchto skupin na mesomorfní chování strukturně příbuzných materiálů (51-55). 

160

O 

51 Cr 48 (N 17) I 

52 Cr 78 (N 76) I 

53 Cr 4 (SmA -50 N -30) I 

CN 

CN 

CN 

C 8 H 17 

C 10 H 21 

N 

N 

N 

OC 10 H 21 

54 Cr 32 SmC 60 SmA 66 I N 70 I 

OC H 10 21 

N 

55 Cr 36 SmC 73 SmA 77 I 

Zavedení alkoxyskupiny vede ke vzrůstu polarity a tím i ke zvýšení přechodových 

teplot (srovnej látky sloučeniny 51 a 52). Naopak rozvětvení řetězce blízko jádra 

(sloučenina 53) vede ke snížení možnosti těsného uspořádání a tím ke značnému poklesu 

přechodových teplot. Zavedení dvou dlouhých řetězců do derivátů 2-fenylpyrimidinu 

generuje SmC fáze (sloučeniny 54 a 55). Prodlouží-li se řetězec dostatečně, dojde ke 

stabilizaci smektické fáze a nematická fáze dokonce vymizí. 

Molekulární struktura kapalných krystalů je velmi rozmanitá a pro generování 

mesofází je možno aplikovat širokou škálu struktur. Pokud však vyžadujeme tvorbu 

specifické fáze, která bude existovat v definovaném teplotním intervalu, je nutno pracně 

optimalizovat molekulární strukturu. Požadované fyzikální vlastnosti navíc ještě komplikují 

design takových molekul. Ekonomický efekt z možných aplikací však vede ke 

stále velmi intenzivnímu výzkumu v této oblasti. 

5.3.2. Ferroelektrické a antiferroelektrické kapalné krystaly 1,4 

Strukturní předpoklady pro vznik chirální smektické SmC* fáze jsou shodné 

s požadavky na design smektických fází achirálních molekul diskutovaný v kap. 5.3.1. 

Bloková struktura ferro- a antiferroelektrických kapalných krystalů (56) se liší pouze 

tím, že v molekule je přítomen alespoň jeden stereogenní prvek, obvykle stereogenní 

centrum (asymetrický atom uhlíku), nejčastěji v jednom z terminálních řetězců. Jsou 

však známy i příklady ferroelektrických materiálů vykazujících axiální chiralitu. 

M N 

R A Y B Z 

56 

Terminální řetězec R zahrnuje nejčastěji dlouhé alkylové a alkoxylové řetězce 

(C6H13O, C8H17O atd.), jádra A a B představují nesubstituované a laterálně 

substituované aromatické systémy, spojky (Y) pak představují buď jednoduchou vazbu 

nebo polární funkční skupinu (iminovou, esterovou) a chirální zbytek je připojen k jádru 

skupinou Z (nejčastěji funkční skupina etherová, karbonylová, esterová). Jako zdroje 

chirálního řetězce se obvykle používají dostupné komerční materiály ((S)-2-methylbutan-1-ol, 

(S)-oktan-2-ol) nebo látky snadno dostupné transformací těchto komerčních 

materiálů (např. alkylethery kyseliny L-mléčné). 

161 

R 1 

X 

* 

R 2

Chirální smektické C materiály se většinou konstruují tak, aby měly vysokou 

hodnotu PS a nízkou viskozitu. Přítomnost esterové a etherové skupiny vede k tvorbě 

potřebných laterálních dipólů pro tvorbu tiltované fáze (57, 58). Eventuální přítomnost 

cinnamátu a Schiffových bází v modelové struktuře 59 zvyšuje polarizabilitu a zajišťuje 

generování mesofází. 

C 10 H 21 O 

57 CH3CH2C*H(CH3 )CH2 58 

CH 3 CH 2 C*H(Cl)CH 2 

59 CH3CH2C*HCH3 N 

COOR* 

R* Přechodové teploty (°C) 

Cr 76 SmC* 95 SmA 117 I 

Cr 65 SmI* 75 SmC* 81 SmA 136 I 

Cr 82 SmC* 91 SmA 106 I 

Rozvětvená struktura chirálního řetězce negativně ovlivňuje stabilitu mesofáze 

více než jen pouhým snížením teploty tání. Je-li chirální centrum blízko jádra, projevuje 

se sterický efekt více, než když je stereogenní centrum blízko konce terminálního 

řetězce. Tento efekt se pak mírně zředí a stabilita mesofáze se zvýší. Na druhé straně 

velikost polarizace je silně ovlivněna polohou stereogenního centra vzhledem k jádru. 

Z tohoto ohledu by stereogenní centrum mělo být jádru co nejblíže, neboť rotace kolem 

něho je brzděna objemným jádrem. To pak vede k nárůstu hodnoty PS stejně jako 

přítomnost polární skupiny vázané na stereogenní centrum. Velikost PS dále ovlivňuje 

délka terminálního řetězce. Jeho rostoucí délka a objemnost přispívají k dalšímu omezení 

rotace a nárůstu hodnoty PS. 

Materiály obsahující esterovou skupinu a terminální alkoxyskupinu přispívají ke 

generování SmC fáze. Není pak překvapivé, že chirální analogy takových esterů 

vytvářejí i chirální fáze (60 až 63). 

C 8 H 17 

60 Cr 48* SmG* 61 SmJ* 67 SmI* 70 SmC* 87 SmA 136 N* 140 I 

C 7 H 15 O 

C 9 H 19 

O 

O 

O 

O 

61 Cr 72 SmC* 74 SmA 82 I 

PS 140 nC.cm-2 * 

Cl 

N 

O F 

N 

* C H 7 15 

62 Cr 54 SmC* 67 SmA 82 I 

* 

C 7 H 15 O 

O 

O 

63 Cr 67 I 

P S 200 nC.cm -2 

První materiály vykazující antiferroelektricitu byly objeveny v roce 1989 a jsou 

předmětem neustálého zájmu, neboť jejich schopnost přepínání reversními pulsy do 

dvou ferroelektrických uspořádání nabízí možnost jejich uplatnění v optoelektronických 

162 

* 

CN

aplikacích. Materiály vykazující antiferroelektricitu jsou strukturně specifické a pravděpodobně 

reflektují způsob, kterým se generuje alternující tilt. Empiricky je zjištěno, 

že musí být tvořeny třemi kruhy a dvěma esterovými skupinami orientovanými ve 

směru k chirálnímu rozvětvenému terminálnímu řetězci. Typickým příkladem takové 

struktury je sloučenina 64 vykazující bohaté mesogenní chování. 

C 8 H 17 O O 

O 

O 

O 

* 

CH 3 

C 6 H 13 

64 SmC* Ai 118 SmC* ferri 119 SmC* 121 SmC α 122 SmA 156 I 

Použitá jádra zahrnují nejen čistě karbocylické systémy (benzen, naftalen, cyklohexan), 

ale i heterocyklické systémy, jako pyrimidin, dioxan, piperidin atd. Jako spojka 

byla užita (kromě esterové funkce) i celá řada dalších polárních skupin. Chirální 

řetězec hraje klíčovou roli při stabilizaci antiferroelektricity, kde ─CH*(CF3)CnH2n+1 

zbytek patří mezi nejslibnější. Zavedení laterálního substituentu (opět nejčastěji atomu 

fluoru) vede ke snížení přechodových teplot blízkých pokojové teplotě, např. sloučenina 

65. 

C 10 H 21 O O 

O 

O 

65 Cr 30 SmC* A 75 SmA 100 I 

F 

O 

* 

CF 3 

C 6 H 13 

Nedávno jsme však objevili 9 antiferroelektricitu i u jednoduchých, strukturně 

však zcela odlišných látek (např. keton 66). 

CH 3 (CH 2 ) 9 

S 

S 

O 

66 Cr 101 SmC* A 131 SmA 166 I 

5.4 DISKOTICKÉ KAPALNÉ KRYSTALY 1 

V porovnání s kalamitickými kapalnými krystaly je historie diskotických kapalých 

krystalů mnohem kratší. Mesomorfie látek diskovitého tvaru byla poprvé popsána 

v roce 1977 u hexa(alkanoyl)benzenových sloučenin. Nejjednodušším typem diskotické 

fáze je fáze nematická (ND), ve které jsou molekulární krátké osy přednostně orientovány 

podél direktoru (obr. 5.4.1) a ani v této fázi neexistuje polohové uspořádání. 


163 

H

ND fáze vykazuje stejnou texturu v polarizačním mikroskopu jako kalamitická N-fáze. 

Disky se uspořádávají tak, že většina jejich krátkých os je orientována přibližně paralelně. 

ND fázi je možno simulovat rozpadem sloupce mincí a jejich náhodných rozprostřením 

na stole. 

Polohové uspořádání v diskotických krystalech vyplývá z tendence plochých 

molekul uspořádat se samovolně do sloupců. Ty se pak v rovině kolmé na sloupce uspořádávají 

do dvourozměrné mřížky, buď pravoúhle nebo hexagonálně. Výsledná struktura 

se označuje jako kolumnární fáze. V některých kolumnárních fázích rovněž dochází 

k odklonu krátkých os molekul od osy sloupce (jsou tiltovány). Směr odklonu se mění 

od jednoho sloupce k druhému. Existuje několik typů kolumnárních mesofází jako 

důsledek uplatnění různé symetrie dvourozměrné mřížky sloupců a uspořádanosti či 

neuspořádanosti molekul narovnaných ve sloupcích (tab. 5.4.1). Tato polymorfie je analogická 

polymorfismu kalamitických molekul. 

Tabulka 5.4.1 

Polymorfie diskotických kapalných krystalů 

Grupa symetrie Molekulární uspořádání 

ve sloupcích 

Hexagonální Uspořádané (o) 

(h) 

Neuspořádané (d) 

Pravoúhlá (r) 

Kosá (ob) 

Označení fází 

Dho Dhd Drd Dob.d 

Obrázek 5.4.2 ukazuje molekulární uspořádání v hexagonální kolumnární fázi 

(Dh), která může být uspořádaná (Dho) či neuspořádaná (Dhd). Vzdálenost sousedních 

molekul v mřížce je stejná ve všech směrech (tj. a = b). Ve fázi Dho jsou molekuly ve 

sloupcích pravidelně (periodicky) uspořádány, fáze Dhd je pak pravá kapalně-krystalická 

fáze, neboť molekuly jsou ve sloupcích na sebe nastaveny nepravidelně. 


Typické pravoúhlé uspořádání kolumnární fáze Dr ukazuje obr. 5.4.3. Dosud 

byly nalezeny pouze neuspořádané Drd fáze. Byly identifikovány čtyři pravoúhlé grupy 

symetrie, kde vzdálenost molekul v krystalické mřížce je směrová, tj. a ≠ b. 

164


Požadavky na molekulární strukturu diskotických materiálů, které tvoří D a ND 

fáze, lze znázornit obecnou strukturou 67. 

R 

R 

O 

O 

O 

jádro 

R 

O O 

(O)R 

O 

Centrální jádro diskovitého tvaru znamená obvykle benzen nebo polyaromatický 

systém, jako trifenylen, ftalocyanin, porfyrin atd. Byly však popsány i deriváty cyklohexanu, 

resp. sacharidů. Aby se udržel diskovitý tvar, je centrální jádro obvykle symetrické 

a dendritické periferní jednotky jsou přítomny v nejvyšším počtu, který je substitucí 

centrálního jádra možný. Např. trifenylen i benzen mají šest periferních řetězců, 

ftalocyaninová jádra jich mají osm. Periferní jádra jsou většinou strukturně identická, 

což napomáhá udržet diskotickou architekturu (viz obecný vzorec 67). Jádro zajišťuje 

rigiditu a relativně flexibilní periferní řetězce slouží ke snížení teploty tání tak, aby se 

mohly objevit mesofáze. 

Převážná většina diskotických materiálů vykazuje kolumnární fáze a některé 

ještě navíc i nematickou ND fázi. Pouze velmi málo sloučenin tvoří pouze nematickou 

fázi. Například sloučenina 68 vykazuje Drd fázi. Hexa(alkoxyfenyl)benzeny tvoří mesofáze 

jen tehdy, jsou-li periferní alkylové řetězce střední délky (sloučenina 69), přičemž 

šest přímo vázaných benzenových kruhů je na centrálním benzenovém jádru, což vytváří 

vysoce konjugované centrální jádro. Podle toho by pak měla být stabilita mesofáze 

sloučeniny 69 mnohem vyšší než u sloučeniny 68. Připojené benzenové kruhy se však 

překrývají v důsledku sterického bránění, což jádro rozšiřuje a snižuje tendenci k mesomorfnímu 

chování. Obě sloučeniny mají navíc pouze plošně malé planární oblasti 

jádra a proto nepředstavují dobré mesogeny. 

165 

O 

67 

(O)R 

* 

R

C 5 H 11 

C 5 H 11 

O 

O 

O 

O 

O 

C H 5 11 

O 

O O 

C 5 H 11 

O 

68 

Cr 68 D rd 86 I 

O 

C H 5 11 

O 

O 

C 5 H 11 

C 5 H 11 O 

C 5 H 11 O 

C 5 H 11 O 

69 

Cr 68 D rd 97 I 

OC 5 H 11 

OC 5 H 11 

OC 5 H 11 

Mnohem větší trifenylenové jádro umožňuje připojit symetricky šest periferních 

jednotek a tendence tvořit mesofáze je zde mnohem větší. Hexa(alkoxy)substituované 

sloučeniny 70 vykazují uspořádanou hexagonální strukturu sloupců zřejmě v důsledku 

synergického efektu polárního atomu kyslíku a velkého jádra. Sloučenina 71 má na každém 

benzenovém jádře tři různě dlouhé alkylové řetězce periferních řetězců; toto snížení 

symetrie má za následek snížení teploty tání. Nesymetrická molekulární struktura 

má za následek sníženou stabilitu mesofáze a vznik neuspořádané Dhd fáze. Naproti 

tomu stabilní hexa(alkanoyloxy)trifenyleny 72 vykazují pravoúhlé uspořádání sloupců 

v Drd fázi. 

R 2 

O 

R 2 

R 1 

O 

OR 1 

O OR 3 

70 R 1 = R 2 = R 3 = C 5 H 11 

Cr 69 D ho 122 I 

OR 3 

71 R 1 = C 6 H 13 , R 2 = C 8 H 17 , R 3 = C 12 H 25 

Cr 40 D hd 79 I 

C 7 H 15 

C 7 H 15 

O 

O 

C 7 H 15 

O 

O 

O O 

O O 

O O 

72 

Cr 66 D rd 126 I 

C 7 H 15 

O 

C 7 H 15 

O 

C 7 H 15 

Hexa(benzoyloxy)trifenyleny 73 mají mnohem větší centrální jednotku 

rozšířenou o šest esterově vázaných benzenových jader. Základní systém má mnohem 

výrazn$ější mesomorfní charakter než alifatické estery v 72. 

166

C 10 H 21 O 

b 

a 

C 10 H 21 O 

y 

a 

x 

b 

x 

O 

y 

O 

b 

y x 

O 

O 

O O 

O O 

O O 

x 

a b 

C H O 10 21 OC H 10 21 

y 

a 

O 

OC 10 H 21 

y 

O 

x 

a 

y 

b 

x 

b 

a 

OC 10 H 21 

Sloučenina a b x y Přechodové teploty (°C) 

73 H H H H C 142 Drd 191 ND 212 I 

74 CH3 H H H C 102 Dhd 127 ND 192 I 

75 H H CH3 H C 107 ND I 

76 CH3 CH3 H H C 157 Dhd 167 ND 182 I 

77 H H CH3 CH3 C 108 ND 134 I 

Sloučenina 73 vykazuje Drd kolumnární fázi a při vyšší teplotě ND fázi. Ta je 

důsledkem velmi rozsáhlé struktury jádra, která podporuje vznik mesofáze při vysoké 

teplotě. Sterický efekt v důsledku rotace periferních zbytků znesnadňuje kolumnární 

uspořádání a proto vzniká nematická neuspořádaná fáze. Vliv sterického efektu na 

mesomorfní vlastnosti je ukázán na sérii sloučenin 74 až 77, které se liší zavedením methylových 

skupin do různých poloh. Methylové skupiny ve vnějších polohách se snadno 

akomodují a i když dodatečná molekulární šířka má tendenci k přerušení kolumnárního 

uspořádání, space-filling efekt (zajišťující optimální vyplnění prostoru) má tendenci 

zvýšit přitažlivé síly mezi disky. Sloučenina 74 tedy poskytuje Dhd fázi. Zavedení druhého 

methylu (sloučenina 76) pak dále zvyšuje stabilitu. Naopak připojení methylové 

skupiny do stericky velmi zaplněné vnitřní polohy (sloučenina 75) vede k vybočení periferních 

částí z roviny, což vede k rozšíření jádra a ke značnému narušení přitažlivých 

sil mezi disky. Druhá methylová skupina ve vnitřní poloze (sloučenina 77) ještě tento 

efekt zesiluje, kolumnární fáze je ztracena a vzniká neuspořádaná ND fáze. 

Jádro truxenu je ještě větší než jádro trifenylenu. Tři radiální kruhy jsou symetricky 

připojeny k centrálnímu kruhu tak, že vzniká prakticky planární rigidní struktura. 

Materiály odvozené od tohoto jádra mají vysokou tendenci tvořit mesofáze. Jednoduchý 

hexa(alkoxy)truxen 78 tvoří velmi širokou Dho fázi až do 260 °C. 

167

C 10 H 21 O 

C 10 H 21 O 

78 

Cr 67 D ho 260 I 

OC H 10 21 

OC10H21 OC 10 H 21 

OC 10 H 21 

Z výše uvedených příkladů je zřejmé, že je velmi obtížné najít materiály, které 

by vykazovaly výhradně ND fázi s nízkými přechodovými teplotami. Molekulární 

architektura by totiž vyžadovala přerušit kolumnární uspořádání, což je většinou příliš 

destruktivní požadavek. Výjimkou jsou materiály, které mají periferní části připojené 

k centrálnímu jádru trojnou vazbou jako spojkou (sloučenina 79). 

H 15 C 7 

H 15 C 7 

H 15 C 7 

79 

Cr 98 N D 131 I 

C 7 H 15 

C 7 H 15 

C 7 H 15 

Zavedení trojné vazby do postranního řetězce totiž odstraní sterické interakce 

mezi arylovými jádry a umožňuje rotaci kruhů navzájem o 90 °. Toto uspořádání benzenových 

kruhů brání jejich agregaci, která je nutná pro vznik kolumnárního uspořádání. 

Navíc trojné vazby mají vysokou polarizabilitu, která způsobuje odpuzování mezi 

molekulami a brání tak vytváření sloupců. Proto takové struktury preferují vznik ND fáze. 

Ftalocyaniny nalezly široké využití jako barviva, elektrochromní materiály, senzory 

vodivosti atd. Připojením osmi periferních řetězců se generují kolumnární fáze 

typu Dho a Dhd v širokém rozsahu teplot. Tyto materiály by mohly v kapalně-krystalickém 

stavu sloužit jako vodiče elektronů v elektronických zařízeních. Ftalocyaninové 

jádro je schopno komplexovat kov v centru, často to je měď nebo nikl. Kov zvyšuje 

stabilitu kolumnární fáze, na druhé straně tyto materiály mají přechodové teploty tak 

vysoké, že se ještě před přechodem do isotropní fáze rozkládají (sloučeniny 80). 

168

R 

R 

R 

N 

N R 

M 

N 

R 

R R 

N 

80 R = C 8 H 17 , OC 12 H 25 , CH 2 OC 12 H 25 , ... 

R 

M = H 2 , Cu, Ni 

Porfyrinové jádro je menší, svými vlastnostmi je však velmi podobné ftalocyaninovému 

jádru. Mesofáze vznikají připojením osmi periferních jednotek (např. 81). 

C 12 H 25 OOCCH 2 

C 12 H 25 OOCCH 2 

C 12 H 25 OOCCH 2 

N 

C 12 H 25 OOCCH 2 

N 

H H 

N 

N 

81 

Cr 107 (D 97) I 

CH 2 COOC 12 H 25 

CH 2 COOC 12 H 25 

CH 2 COOC 12 H 25 

CH 2 COOC 12 H 25 

Všechny doposud diskutované diskotické materiály byly odvozeny od aromátů. 

Existuje však velká skupina diskovitých molekul, které ve svém centru mají alicyklickou 

jednotku. Takovým příkladem je sloučenina 82. 

H 11 C 5 

H 11 C 5 

O 

O 

O 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

O 

82 

Cr 69 D 200 I 

O 

O 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

Z uvedeného přehledu vyplývá, že diskotické materiály poskytují mesofáze, 

které jsou daleko citlivější na malé strukturní změny než jejich kalamitické analogy. 

Vznik kolumnárních fází je mnohem pravděpodobnější než fází nematických. Na druhé 

169

straně poměrně rigidní architektura aromatických systémů v důsledku π−π stackingu 

vede k vytvoření struktur připomínajících molekulární dráty. A právě možná aplikace 

těchto materiálů v polovodičové technice je příčinou poměrně rozsáhlého zájmu o tyto 

materiály v posledních letech. 

5.5. LOMENÉ (BENT-SHAPED, BANÁNOVITÉ) KAPALNÉ KRYSTALY 10,11 

Zhruba do poloviny devadesátých let minulého století byly thermotropní kapalné 

krystaly rozdělovány podle přibližného tvaru jejich anisotropní molekuly na kalamitické 

a diskotické. Ačkoliv molekuly s lomeným tvarem vykazující mesogenní vlastnosti byly 

popsány již před 80 lety, jejich tvar byl považován za nevhodný a nezasluhující si bližší 

pozornosti. V roce 1996 však bylo teoreticky předpovězeno, že molekuly s lomeným 

tvarem by mohly vytvářet polární fáze vykazující (anti)ferroelektricitu. A to i bez přítomnosti 

chirálního prvku v molekule. Vzhledem ke značné obtížnosti a nákladnosti 

syntézy opticky čistých chirálních materiálů jde o vlastnost s velkým potenciálem pro 

optoelektronické aplikace. To pochopitelně vyvolalo intenzivní výzkum v této oblasti 

kapalných krystalů a dnes je možno tuto skupinu materiálů považovat za samostatnou 

součást thermotropních kapalných krystalů. 

Podobně jako pro geometrii kalamitických kapalných krystalů je i pro geometrii 

kapalných krystalů banánového tvaru důležitým prvkem rigidní jádro, které u těchto 

molekul primárně zajišťuje jejich ohnutý tvar. Za ideální úhel obou ramen banánového 

kapalného krystalu se považuje 120 °. Z tohoto faktu vychází i volba vhodného strukturního 

prvku jako základu jádra. V dnešní době se nejčastěji využívá jader odvozených od 

1,3-substituovaného benzenu (např. benzen-1,3-diolu), popř. 2,7-disubstituovaného naftalenu 

(např. naftalen-2,7-diolu). Bylo však prokázáno, že úhel ohybu může mírně kolísat 

kolem této hodnoty (110 až 140 °). Rentgenostrukturní analýza i NMR spektroskopie 

v mesofázi prokázaly, že lomená struktura zůstává zachována i v mesofázi a velikost 

úhlu mezi oběma rameny je závislá na typu a poloze laterálního substituentu v centrálním 

jádru. 

K získání specifického mezomorfního chování u těchto typů látek je pak většinou 

nutné, aby molekulární struktura obsahovala alespoň 5 aromatických kruhů (obecná 

struktura 83). Ty bývají často spojeny polárními spojkami, nejčastěji esterovými či 

iminovými. Využití spojek, terminálních řetězců a laterálních substituentů je u tohoto 

typu kapalných krystalů obdobné jako v případě kalamitických kapalných krystalů. 

Y 

X X 

R 83 

R 

5.5.1 Uspořádání kapalně-krystalických fází 

170 

Y

Kapalné krystaly banánovitého tvaru obecně vytvářejí smektické fáze, které jsou 

však odlišného typu než ty, které vytvářejí kalamitické materiály. Tvorba nematických 

fází je výjimečná. Vzhledem ke snížení symetrie molekuly však mohou tyto látky tvořit 

mnohem rozmanitější škálu podtypů smektických fází, jejichž struktura je stále předmětem 

výzkumu a zdrojem mnoha dohadů. Vyvolání makroskopické chirality vrstev je 

umožněno velmi těsným uspořádáním molekul, existencí tiltu a vznikem polarizace. 

V důsledku značné omezenosti molekulární rotace kolem dlouhé osy molekuly tyto tři 

veličiny vytvářejí dvě možná zrcadlově symetrická prostorová uspořádání, tj. mohou 

vzniknout dvě makroskopicky enantiomerní uspořádání vrstev i přes nepřítomnost 

chirality v molekulách (obr. 5.5.1). 

Obr. 5.5.1 

Pro označení různých fází se v případě banánových kapalných krystalů používá 

jak označení odvozené od kalamitických fází tak často i speciální označení BX, kde X je 

index fáze v pořadí, v jakém byly objeveny. Dosud bylo objeveno 8 různých fází (B1- 

B8); v poslední době se ukazuje, že některé fáze (např. B2) se vyskytují v několika 

možných subtypech, jejichž identifikace a kategorizace je otázkou budoucího výzkumu. 

Protože identifikace těchto fází je nepoměrně složitější než u kalamitických kapalných 

krystalů, je nutné strukturu mesofáze zkoumat rentgenostrukturní nebo synchotronovou 

analýzou. Tak bylo např. zjištěno, že B1-fáze je kolumnární rektangulární fáze, která 

vykazuje dvourozměrnou strukturu s obdélníkovou buňkou. 

U přepínatelné B2 fáze (označované také jako SmCP, tj. polární smektická C 

fáze) je možno v závislosti na korelaci tiltu (synklinická či antiklinická) a ferro- (FE) či 

antiferroelektrické korelaci (AF) definovat čtyři možná uspořádání mezi sousedícími 

vrstvami (obr. 5.5.2). V případě racemického stavu jsou molekuly ve všech vrstvách 

nakloněny stejným směrem a ke kompenzaci spontánní polarizace dochází změnou 

chirality v sousedních vrstvách (SmCSPA a SmCAPF). Chiralita vrstev tak alternuje od 

vrstvy k vrstvě. V chirálním základním stavu mají všechny vrstvy stejnou chiralitu a ke 

kompenzaci dochází změnou směru náklonu molekul. Pokud je chiralita vrstev 

uniformní (SmCAPA a SmCSPF), označuje se stav jako homochirální. Je třeba zmínit, že 

vzhledem k absenci chirálního prvku v molekulách jsou obě chirální uspořádání stejně 

pravděpodobná a v případě homochirálního základního stavu dochází ke vzniku domén 

s opačnou chiralitou. V nejstudovanější B2 fázi byly pozorovány jak antiferroelektrické 

domény SmCSPA tak SmCAPA. Ačkoliv je racemický stav SmCSPA v B2 fázi běžných 

lomených krystalů stavem stabilnějším, působením vhodné velikosti pole je možno 

indukovat homochirální uspořádání s oběma chiralitami. 

171


Fáze B3 a B4 jsou fáze krystalické. I přesto, že vykazují některé neobvyklé 

vlastnosti, nejedná se o pravé kapalně-krystalické mesofáze. B5-fáze je tiltovaná smektická 

fáze. Vzniká u některých látek při chlazení z B2-fáze. Její textura i některé vlastnosti, 

včetně elektrooptických, jsou velmi podobné B2 fázi. Rentgenostrukturní analýza 

však ukázala vyšší stupeň organizace, který ukazuje na výskyt dvourozměrné obdélníkové 

buňky ve smektických rovinách. Rovněž viskozita této fáze je výrazně větší než 

u B2-fáze. B6-fáze je rovněž tiltovaná smektická fáze, kde vzdálenost vrstev je přibližně 

shodná s poloviční délkou molekuly. Jedná se pravděpodobně o interkalovanou fázi. 

Model struktury této fáze je uveden na obr. 5.5.3. 


Mezi nejkomplikovanější fáze patří B7-fáze. Jedná se o kapalně-krystalickou fázi 

tvořící velmi neobvyklé řetízkové nebo páskovité textury. Její uspořádání není doposud 

objasněno, ale doposud provedená měření naznačují, že se jedná pravděpodobně o fázi 

s 3D-helikální superstrukturou. Dosavadní výzkum navíc ukazuje, že tato fáze má různé 

subtypy. Konečně B8-fáze je dvouvrstvá smektická fáze. 

U kapalných krystalů banánového tvaru je kompenzace spontánní polarizace 

v antiferroelektrické fázi realizována změnou direktoru mezi sousedními vrstvami. 

Zatímco u běžných kalamitických kapalných krystalů je vznik antiferroelektrické fáze 

vzácný oproti fázím ferroelektrickým, je situace u kapalných krystalů banánového tvaru 

opačná. Tato skutečnost vyplývá pravděpodobně z faktu, že samotný tvar banánového 

kapalného krystalu připomíná uspořádání molekul ve dvou sousedních smektických 

vrstvách antiferroelektrické fáze. Antiferroelektrické uspořádání pak u těchto látek 

172

umožňuje částečné pronikání sousedních vrstev a je tedy energeticky (entropicky) výhodnější, 

zatímco ferroelektrické uspořádání jej znevýhodňuje (obr. 5.5.4). 

antiferroelektrické uspořádání ferroelektrické uspořádání 


Stejný efekt pak u klasických kalamitických kapalných krystalů zvýhodňuje 

ferroelektrické uspořádání. 

5.5.2. Vliv molekulární struktury na vznik mesofáze lomených kapalných krystalů 

Přestože za poslední dobu bylo získáno mnoho experimentálního materiálu, určování 

struktury příslušné mesofáze někdy přináší mnoho nejasností a klade stále nové 

otázky. Nicméně lze shrnout, že na mesomorfní chování má značný vliv laterální substituce 

na centrálním jádru, která mnohdy předurčuje typ vznikající fáze, dále pak typ 

spojek, substituce na vnitřním a vnějším prodlužujícím jádru i délka terminálního řetězce. 

Na rozdíl od kalamitických kapalných krystalů není škála syntetizovaných materiálů 

natolik rozsáhlá, aby bylo možno utvářet obecnější závěry. 

Jak již bylo uvedeno, struktura většiny banánovitých kapalných krystalů odpovídá 

výše uvedenému vzorci 83, kde centrální jádro obsahuje 1,3-fenylenový zbytek. 

Jako další jádro se uplatnil i 2,7-disubstituovaný naftalen, ve velmi omezené míře i deriváty 

fluorenu, karbazolu, pyridinu, resp. pyrimidinu. Bylo zjištěno, že centrální rigidní 

C 10 H 21 O 

C 10 H 21 O 

N 

O O 

O O 

N N 

O 

84 B 4 138 B 3 144 B 2 173 I 

O 

O 

O 

85 Cr 198 B 4 204 B x 231 I 

N 

OC 10 H 21 

OC 10 H 21 

jádro je možno do jisté míry zaměnit za karbonylovou skupinu, etherickou nebo methylenovou 

spojku či za rigidní amidickou skupinu. Byly rovněž popsány materiály se 

173

šesti a sedmi kruhy. Obecně platí, že rostoucí počet jader vede ke vzrůstu přechodových 

teplot 12 (srv. 84 a 85). 

Mesomorfní chování lomených krystalů a typ vytvářené fáze jsou velmi závislé 

na typu a poloze laterálního substituentu v centrálním jádru. Obecně je možno konstatovat, 

že zavedení alkylového řetězce do polohy 2, tj. mezi obě prodlužující ramena, má 

na mesofáze destabilizující efekt, neboť se zhoršuje schopnost skládání do smektických 

rovin, analogicky jako u kalamitických krystalů. Na druhé straně malé polární substituenty 

iniciují tvorbu B2 (atom chloru) nebo B7 (CN, NO2) fáze, viz sloučeniny 84 a 

86 až 88. 

C 8 H 17 O 

O O 

O O 

N X 

N 

86 X = CH 3 Cr 120 B 2 133 I 

87 NO 2 Cr 87 B x 129 B 7 177 I 

88 CN Cr 170 B 7 194 I 

OC 8 H 17 

Zavedení laterálního substituentu (F, Cl, CN) do polohy 4 centrálního jádra vede 

přednostně k tvorbě přepínatelné B2 fáze, na druhé straně přítomnost substituentu 

v poloze 5 (CN, CH3, CH3O) má za následek úplnou ztrátu mesomorfního chování, přítomnost 

fluoru naopak podporuje tvorbu B5 a B2 fáze. 

V porovnání s kalamitickými kapalnými krystaly je u kapalných krystalů banánového 

tvaru patrný silnější vliv použité spojky na mesomorfní chování. Jako spojky 

byly využity takřka výhradně spojky esterové a iminové, dvojná či trojná vazba, azoskupina, 

popř. přímé spojení dvou aromatických jader jednoduchou vazbou. Obecně 

platí, že materiály obsahující iminovou spojkou poskytují větší variabilitu mesofází než 

u spojky esterové. Dále bylo zjištěno, že tato záměna vede k příznivému poklesu přechodových 

teplot a zúžení teplotního intervalu mesofází. Orientace polárních funkčních 

skupin významně ovlivňuje hodnotu polarizace a její směr. To ve svém důsledku značně 

ovlivňuje těsné uspořádání molekul vyžadující alternující distribuci elektronové hustoty 

přes celou délku molekuly. Odstranění spojky snižuje konformační flexibilitu, což 

znevýhodňuje tvorbu B fází. 

Laterální substituenty v jádrech ramen se u kapalných krystalů banánového tvaru 

používají stejně jako u kalamitických kapalných krystalů s cílem ovlivnit dipól-dipólové 

interakce a ukládání molekul v lamelárních vrstvách. Nejčastějšími substituenty jsou 

atomy fluoru či methoxyskupiny, méně pak ostatní halogeny či alkylové skupiny. Vliv 

laterálních substituentů je odlišný podle jejich polohy v molekule. Jak se ukazuje, zavedení 

atomu fluoru do polohy 2 vnitřního jádra ramene u doposud popsaných látek má za 

následek mírné snížení přechodových teplot při zachování šíře teplotního intervalu 

kapalně-krystalických fází. Naopak přítomnost substituentu ve vnějším jádru ramene 

má spíše destabilizující efekt. 

Při designu lomených kapalných krystalů se jako terminální skupiny nejvíce 

používají alkylové a alkoxylové řetězce. Kvantifikace jejich působení na mesomorfní 

chování není vždy jednoznačná. Ukazuje se však, že sloučeniny s krátkými řetězci 

podporují tvorbu nematické fáze, smektických fází nebo fáze B6. Deriváty se středními 

řetězci (C6-C10) podporují vznik B1 fáze. Zavedením dlouhých alkylových řetězců (C11- 

C16) se zvyšuje pravděpodobnost vzniku B2 fáze, která je významná pro své potenciální 

174

aplikace. Zavedení perfluoralkylového řetězce má za následek výrazné zvýšení přechodových 

teplot. 

5.6. SUPERMOLEKULÁRNÍ KAPALNÉ KRYSTALY 13 

Donedávna se design kapalných krystalů soustřeďoval na nízkomolekulární látky, 

především pro aplikace v displejích nebo na polymerní vysokomolekulární látky 

jako prototypy vysokopevnostních polymerů. Supermolekulární kapalné krystaly představují 

obří molekuly složené z kovalentně vázaných menších definovaných komponent 

a kombinují tak unikátní charakter samoorganizace diskrétních nízkomolekulárních 

materiálů s vlastnostmi polymerů schopných vytvářet sekundární a terciární struktury. 

Tento typ materiálů vykazuje rozmanité fyzikální vlastnosti, které je činí zajímavými 

v oblasti nanověd, nanomateriálů a biologie. Výzkum v této oblasti je soustředěn především 

na funkční dendrimery, kde možnost řízení funkcionality a molekulární architektury 

umožňuje jemně ovládat a modelovat fyzikální vlastnosti kapalných krystalů vedoucí 

k samoorganizaci a tvorbě mesofází. 

Obrázek 5.6.1 ukazuje klasickou molekulární architekturu, která zhruba popisuje 

strukturu supermolekulárních kapalných krystalů. 


Zatímco lineárně a laterálně pospojované mesogeny jsou de facto modely lineárních 

polymerů, resp. polymerů s postranním řetězcem, rostoucí počet jednotek vázaných 

k centrálnímu bodu vytváří molekulární uzel. Centrální lešení však může být i cyklické, 

klecové atd. Obvykle jsou mesogenní jednotky vázány na povrch dendritického lešení, 

což vede k vytvoření dendritického kapalného krystalu, polypedální supermolekuly 

(identické mesogeny), resp. multipedální supermolekuly (rozdílné mesogeny). 

Způsob samoorganizace supermolekul je závislý především na jednoduchých 

strukturních rysech, jako je hustota mesogenních jednotek na periférii centrálního jádra, 

orientace jejich připojení a stupeň jejich oddělení od centrálního lešení. Hustota mesogenních 

skupin tak může měnit tvar molekuly od tyčinkovité, na diskovitou až sférickou. 

Struktury systému na molekulární úrovni jsou tedy deformovatelné. Molekulární 

tvar bude podporovat tvorbu různých typů samoorganizovaných mesofází. V supermo- 

175

lekulárních materiálech pak tyčinkovité mesogenní systémy budou podporovat vznik 

kalamitických mesofází včetně různých možností smektické polymorfie, diskotické 

mesogeny podporují vznik kolumnárních fází a sférické systémy vznik fází kubických. 

Orientace připojení může rovněž významně ovlivňovat mesomorfní chování supermolekul. 

Laterální připojení mesogenní jednotky často vede k nematickým supermolekulárním 

systémům, terminální připojení podporuje vznik smektických fází. Vzdálenost 

mesogenních skupin od centrálního lešení hraje rovněž velmi významnou úlohu. 

Čím je spojovací jednotka (spacer) kratší, tím větší je pravděpodobnost, že se materiál 

bude chovat jako jediná supermolekulární jednotka. Naopak, čím delší spacer bude, tím 

pravděpodobnější je, že individuální vlastnosti mesogenu budou dominovat nad celkovými 

vlastnostmi materiálu. 

Vedle tohoto hrubého posouzení vztahu struktura-vlastnosti je však nutno vzít 

v úvahu i sekundární úroveň strukturních požadavků. Centrální lešení může být např. 

flexibilní nebo rigidní, mohou zde být bloky mesogenních jednotek stejného či různého 

typu, v periférii nebo v lešení mohou být skupiny aktivující segregaci mikrofází, do materiálu 

je možno zavést chiralitu atd. Samoorganizace ve dvou- a trojrozměrném prostoru 

nabízené kapalně-krystalickým materiálem je tak ideálním nástrojem pro studium a 

řízení organizace materiálů v nano- i mikroměřítku. 

Materiál 89 je prvním popsaným příkladem dendritického kapalného krystalu, 

kde k vnitřnímu flexibilního dendritickému karbosilanu je prodlužujícím řetězcem na 

povrchu připojeno 36 mesogenních jednotek. Přestože by individuální mesogen podporoval 

tvorbu nematické fáze, flexibilita centrálního lešení umožňuje molekulu deformovat 

za vzniku kalamitického celkového tvaru a tvorby širokoteplotní SmA fáze a nízkoteplotní 

skelné fáze (g). 

176

Řada materiálů tohoto typu nese oktasilasesquioxanové jádro, které má primárně 

osm radiálních větví pro derivatizaci. Materiál 90 vykazuje tvorbu jak SmA tak SmC 

fáze. 

Z hlediska struktury mesogenních jednotek má materiál slibné dielektrické vlastnosti 

a vznik SmC fáze pak naznačuje, že zavedení chirality by vedlo k ferroelektricitě. 

Sekvence mesofází znamená, že se jedná o kalamitický materiál vytvářející vrstevnaté 

uspořádání schematicky znázorněné na obr. 5.6.2, kde kuličky znázorňují CN-skupiny, 

válečky bifenylové jednotky a kostičky karbosiloxanové jádro. 


177

Zavedením laterálně vázané chirální mesogenní jednotky byl syntetizován materiál 

91 (m.h. 6500) vytvářející chirální nematickou fázi s helikální makrostrukturou. 

Přechod z chirální nematické do skelné fáze nastává při pokojové teplotě. 

Změna chirální jednotky z 2-methylbutylové na 2-oktylovou (92, m.h. 6889) vede 

ke snížení skelného přechodu pod laboratorní teplotu a rovněž k poklesu přechodu do 

isotropní fáze. Chirální nematická fáze je přitom zachována v širokém teplotním rozsahu. 

Nalezená výška stoupání helixu (0,2 až 0,3 µm) znamená, že materiál 92 odráží 

viditelné světlo a protože výška stoupání je na teplotě relativně nezávislá, je možno 

tento materiál využít v široké oblasti aplikací. 

178

Koncepce vytváření funkčních materiálů zaváděním různých funkcionalit do 

kapalně-krystalické molekuly kovalentním připojením je možno ilustrovat i zavedením 

fulerenu do supermolekulárního systému. Byl sledován především jeho vliv z hlediska 

zapojení nemesogenní jednotky do mesomorfního chování. Jak ukazují struktury 93 

a 94, pokud je velká fulerenová jednotka kamuflována dostatečně rozvinutým dendritickým 

systémem, chirální nematická fáze je zachována v širokém rozsahu, aniž by došlo 

k podstatnému rozrušení helikální struktury. 

Je zřejmé, že design supermolekulárních kapalných krystalů je nezměrný a jeho 

cílem bude získávání nových materiálů s funkčními vlastnostmi. 

5.7. ZÁVĚR 

Uvedený výlet do oblasti kapalných krystalů, kde spontánní uspořádávání (samoskladba) 

anisotropních molekul vytváří různorodé kapalně-krystalické systémy, 

zdaleka nemůže obsáhnout celou šířku problematiky v této oblasti. Mnoho úsilí je věno- 

179

váno vývoji nových zobrazovacích zařízení, kde především firemní zájmy hrají klíčovou 

roli při určování různých směrů výzkumu. Nově se však prosazují další oblasti 

možných aplikací kapalných krystalů, kde se kromě tvorby mesofází projevují další 

užitné vlastnosti těchto materiálů – např. vodivost, polovodivost, emise světla, fotochromní, 

elektrooptické či nelineární optické vlastnosti pro moderní materiálové 

aplikace. 

5.8. LITERATURA 

1. Demus D., Goodby J., Gray G. W., Spiess H.-W., Vill V.: Handbook of Liquid 

Crystals, Vol. 1-3, 1996. 

2. Atwood J. L., Davies J. E. D., Macnicol D., D., Vögtle F. (red.): Comprehensive 

Supramolecular Chemistry, Vol. 10, 583. Pergamon Press, Elsevier Science Ltd, 

Oxford 1996. 

3. Steed J. W., Atwood J. L.: Supramolecular Chemistry. J. Wiley, Chichester 2000. 

4. Collings P. J., Hird M.: Introduction to Liquid Crystals. Taylor & Francis, London 

1997. 

5. Glogarová M.: Kapalné krystaly. 

http://emf-9.fzu.cz/lidi/glogarova/kapkrystaly/Kap- krystHTML2.htm. 

6. Goodby J.W., Bruce D. W., Hird M., Imrie C., Neal M.: J. Mater. Chem. 2001, 11, 

2631. 

7. Tschierske C.: J. Mater. Chem. 2001, 11, 2647. 

8. Ringsdorf H., Schlarb B., Venzmer J.: Angew. Chem. Int. Ed. 1988, 27, 114. 

9. Košata B., Kozmík V., Svoboda J., Novotná V., Vaněk P., Glogarová M.: Liq. 

Cryst. 2003, 30, 603. 

10. Pelzl G., Diele S., Weissflog W.: Adv. Mater. 1999, 11, 707. 

11. Weissflog W., Nádasi H., Dunemann U., Pelzl G., Diele S., Eremin A., Kresse H.: J. 

Mater. Chem. 2001, 11, 2748. 

12. Svoboda J., Novotná V., Kozmík V., Glogarová M., Weissflog W., Diele S., Pelzl 

G.: J. Mater. Chem. 2003, 13, 2104. 

13. Saez I. M., Goodby J.: J. Mater. Chem. 2005, 15, 26. 

180

5. KAPALNÉ KRYSTALY

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?