البلورات السائلة الليوتروبية

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
هلام ذو طور مكعب عالي اللزوجة مصنوع من بوليسوربات 80 والماء والبارافين السائل .

تنتج البلورات السائلة الليوتروبية عندما تذوب المواد الأمفيبية ، التي تتميز بخواص كارهة للماء ومحبة للماء في آن واحد ، في محلول يتصرف كسائل وبلورة صلبة في الوقت نفسه . تشمل هذه المرحلة المتوسطة البلورية السائلة مخاليط يومية مثل الصابون والماء. [ 1 ] [ 2 ]

مصطلح "ليوتروبيك" مشتق من الكلمتين اليونانيتين القديمتين λύω (lúō) بمعنى " يذوب " و τροπικός (tropikós) بمعنى " يتغير " . تاريخيًا، استُخدم هذا المصطلح لوصف السلوك الشائع للمواد المكونة من جزيئات أمفيباثية عند إضافة مذيب . تتألف هذه الجزيئات من مجموعة رأسية محبة للماء (قد تكون أيونية أو غير أيونية) متصلة بمجموعة كارهة للماء.  

يؤدي الانفصال الطوري الدقيق لمكونين غير متوافقين على مقياس النانومتر إلى أنواع مختلفة من الترتيب المتباين الممتد الناتج عن المذيب [ 3 ] ، وذلك تبعًا لتوازن الحجم بين الجزء المحب للماء والجزء الكاره للماء. وبدورها، تُولّد هذه الترتيبات نظامًا طويل المدى للأطوار، حيث تملأ جزيئات المذيب الفراغ المحيط بالمركبات لتوفير سيولة للنظام. [ 4 ]

على عكس البلورات السائلة الحرارية ، تتمتع البلورات السائلة الليوتروبية بدرجة حرية إضافية، ألا وهي التركيز، الذي يمكّنها من إحداث مجموعة متنوعة من الأطوار المختلفة. فمع ازدياد تركيز الجزيئات الأمفيبية، تظهر أنواع مختلفة من هياكل البلورات السائلة الليوتروبية في المحلول. ولكل نوع من هذه الأنواع درجة مختلفة من الترتيب الجزيئي داخل مصفوفة المذيب، بدءًا من المذيلات الكروية وصولًا إلى الأسطوانات الأكبر حجمًا، والأسطوانات المتراصة، وحتى التجمعات ثنائية الطبقات ومتعددة الجدران. [ 5 ]

الأنواع

من أمثلة المركبات الأمفيبية أملاح الأحماض الدهنية والفوسفوليبيدات . تُستخدم العديد من المركبات الأمفيبية البسيطة كمنظفات . يُعدّ خليط الصابون والماء مثالًا شائعًا على البلورات السائلة الليوتروبية.

يمكن أن تُظهر البنى البيولوجية مثل البروتينات الليفية التي تُظهر "كتلاً" طويلة نسبياً ومحددة جيداً من الأحماض الأمينية الكارهة للماء والمحبة للماء سلوكاً بلورياً سائلاً ليوتوبياً. [ 6 ]

التجميع الذاتي للمواد الأمفيبية

يمكن أن يشكل عامل سطحي مرن نموذجي ذو خصائص أمفيباثية تجمعات من خلال عملية تجميع ذاتي ناتجة عن تفاعلات محددة بين جزيئات المادة الميزوجينية الأمفيباثية وجزيئات المذيب غير الميزوجيني.

في الأوساط المائية، تتمثل القوة الدافعة للتجمع في " التأثير الكاره للماء ". وتتميز التجمعات التي تشكلها الجزيئات الأمفيبية بهياكل تعرض فيها المجموعات الرأسية المحبة للماء سطحها للمحلول المائي، مما يحمي السلاسل الكارهة للماء من التلامس مع الماء.

بالنسبة لمعظم الأنظمة الليوتروبية، يحدث التجميع فقط عندما يتجاوز تركيز الأمفيبيل تركيزًا حرجًا (يُعرف بشكل مختلف باسم تركيز المذيلات الحرج (CMC) أو تركيز التجميع الحرج (CAC) ).

عند تركيز منخفض جدًا للمواد الأمفيبية، تتوزع الجزيئات عشوائيًا دون أي ترتيب. عند تركيز أعلى قليلًا (ولكنه لا يزال منخفضًا)، فوق التركيز الميكلي الحرج (CMC)، تتشكل تجمعات أمفيبية ذاتية التجميع ككيانات مستقلة في حالة توازن مع جزيئات أمفيبية أحادية في المحلول، ولكن دون أي ترتيب اتجاهي أو موضعي (انتقالي) بعيد المدى. ونتيجة لذلك، تكون الأطوار متجانسة الخواص (أي ليست بلورية سائلة). يُشار إلى هذه التشتتات عمومًا باسم " المحاليل المذيلية "، وغالبًا ما يُرمز لها بالرمز L1 ، بينما تُعرف التجمعات الكروية المكونة لها باسم " المذيلات ".

عند التركيزات العالية، تصبح التجمعات منتظمة. تتشكل أطوار البلورات السائلة الليوتروبية الحقيقية عندما يزيد تركيز المادة الأمفيبية في الماء إلى ما بعد النقطة التي تُجبر عندها التجمعات المذيلية على التوزيع المنتظم في الفراغ. بالنسبة للمواد الأمفيبية التي تتكون من سلسلة هيدروكربونية واحدة، يتراوح التركيز الذي تتشكل عنده أولى أطوار البلورات السائلة عادةً بين 25 و30% وزناً.

الأطوار والتركيب/درجة الحرارة

أبسط طور بلوري سائل يتكون من المذيلات الكروية هو " المكعب المذيلّي "، ويرمز له بالرمز I1 . وهو طور شديد اللزوجة ومتجانس بصريًا، حيث تترتب المذيلات على شبكة مكعبة. قبل أن تصبح بلورات سائلة مجهرية ، تتشكل التكتويدات ، وهي عبارة عن نطاقات دقيقة من البلورات السائلة في طور متجانس. عند تركيزات أعلى من الأمفيبيل، تندمج المذيلات لتشكل تجمعات أسطوانية ذات طول غير محدد، وتترتب هذه الأسطوانات على شبكة سداسية طويلة المدى. يُعرف هذا الطور البلوري السائل الليوتروبي باسم " الطور السداسي "، أو تحديدًا " الطور السداسي ذو الطوبولوجيا الطبيعية "، ويرمز له عمومًا بالرمز HI .

عند تركيزات أعلى من المادة الأمفيبية، تتشكل " الطور الصفائحي ". يُرمز لهذا الطور بالرمز Lα ، ويمكن اعتباره المكافئ الليوتروبي للطور الميزومورفي السمتيكي A. [ 1 ] يتكون هذا الطور من جزيئات أمفيبية مرتبة في صفائح ثنائية الطبقة تفصل بينها طبقات من الماء. كل طبقة ثنائية هي نموذج أولي لترتيب الدهون في أغشية الخلايا.

بالنسبة لمعظم المواد الأمفيبية التي تتكون من سلسلة هيدروكربونية واحدة، تتشكل مرحلة واحدة أو أكثر ذات بنى معقدة عند تركيزات متوسطة بين تلك المطلوبة لتكوين طور سداسي وتلك التي تؤدي إلى تكوين طور صفائحي. وغالبًا ما يكون هذا الطور المتوسط ​​طورًا مكعبًا ثنائي الاستمرارية .

رسم تخطيطي يوضح تجمع المواد الأمفيبية في المذيلات ثم في أطوار بلورية سائلة ليوتوبية كدالة لتركيز الأمفيبية ودرجة الحرارة.

إن زيادة تركيز المادة الأمفيبية إلى ما بعد النقطة التي تتشكل عندها الأطوار الصفائحية سيؤدي إلى تكوين أطوار ليوتوبية ذات بنية معكوسة ، وهي: الأطوار المكعبة المعكوسة، والطور العمودي السداسي المعكوس (أعمدة من الماء محاطة بجزيئات أمفيبية، (H II ))، والطور المكعب المذيل المعكوس (عينة من البلورات السائلة تحتوي على تجاويف كروية من الماء). عمليًا، تتشكل الأطوار ذات البنية المعكوسة بسهولة أكبر بواسطة المواد الأمفيبية التي تحتوي على سلسلتين هيدروكربونيتين على الأقل مرتبطتين بمجموعة رأسية. وتُعد الفوسفوليبيدات الأكثر وفرة في أغشية خلايا الثدييات أمثلة على المواد الأمفيبية التي تُشكل بسهولة أطوارًا ليوتوبية ذات بنية معكوسة.

حتى ضمن نفس الأطوار، يمكن ضبط البنى ذاتية التجميع بتغيير التركيز: على سبيل المثال، في الأطوار الصفائحية، تزداد المسافات بين الطبقات مع زيادة حجم المذيب. ونظرًا لأن البلورات السائلة الليوتروبية تعتمد على توازن دقيق للتفاعلات بين الجزيئات، فإن تحليل بنيتها وخصائصها أكثر صعوبة من تحليل البلورات السائلة الثيرموتروبية.

تكون الأجسام التي تُكوّنها الجزيئات الأمفيبية عادةً كروية الشكل (كما في حالة المذيلات)، ولكنها قد تكون أيضًا قرصية الشكل (ثنائية المذيلات)، أو عصوية الشكل، أو ثنائية المحور (حيث تكون محاور المذيلات الثلاثة متميزة). ويمكن لهذه البنى النانوية ذاتية التجميع غير المتناحية أن تُرتّب نفسها بطريقة مشابهة لتلك التي تُرتّب بها البلورات السائلة الحرارية، مُشكّلةً نسخًا واسعة النطاق من جميع الأطوار الحرارية (مثل الطور النيماتيكي للمذيلات العصوية الشكل).

جزيئات المضيف

من الممكن أن تذوب جزيئات معينة في الأطوار المتوسطة الليوتروبية، حيث يمكن أن تتواجد بشكل رئيسي داخل أو خارج أو على سطح التجمعات.

تعمل بعض هذه الجزيئات كعوامل مُضافة، تُضفي خصائص مُحددة على الطور بأكمله، بينما يُمكن اعتبار جزيئات أخرى مجرد جزيئات ضيف بسيطة ذات تأثير محدود على البيئة المحيطة، ولكن قد يكون لها تأثيرات قوية على خصائصها الفيزيائية والكيميائية، ويُستخدم بعضها كأداة للكشف عن خصائص الطور الميزومورفي على المستوى الجزيئي في تقنيات تحليلية مُحددة. [ 7 ]

جزيئات ضخمة تشبه القضبان

يُستخدم مصطلح "الطور الليوتروبي" أيضًا لوصف الأطوار البلورية السائلة التي تُشكّلها بعض المواد البوليمرية، لا سيما تلك التي تتكون من جزيئات ضخمة صلبة تشبه القضبان، عند مزجها بمذيبات مناسبة. [ 8 ] ومن الأمثلة على ذلك معلقات الفيروسات العصوية الشكل ، مثل فيروس تبرقش التبغ ، بالإضافة إلى الجزيئات الضخمة الاصطناعية، مثل أسلاك Li₂Mo₆Se₆ النانوية [ 9 ] أو المعلقات الغروية للجسيمات الغروية غير الكروية. [ 10 ] كما تُشكّل السليلوز ومشتقاتها أطوارًا بلورية سائلة ليوتروبية، وكذلك معلقات السليلوز النانوية البلورية . [ 11 ] ومن الأمثلة الأخرى الحمض النووي DNA والكيفلار ، اللذان يذوبان في حمض الكبريتيك لتكوين طور ليوتروبي. يُلاحظ في هذه الحالات أن المذيب يعمل على خفض درجة انصهار المواد، مما يُتيح الوصول إلى الأطوار البلورية السائلة. تتشابه هذه الأطوار البلورية السائلة في بنيتها مع الأطوار البلورية السائلة الحرارية أكثر من تشابهها مع الأطوار الليوتروبية التقليدية. وعلى عكس سلوك الجزيئات الأمفيبية، فإن السلوك الليوتروبي للجزيئات الشبيهة بالقضبان لا يتضمن التجميع الذاتي .

جزيئات ضخمة تشبه الأقراص / صفائح نانوية

يمكن أيضًا توليد أمثلة على البلورات السائلة الليوتروبية باستخدام الصفائح النانوية ثنائية الأبعاد. وقد تم إثبات وجود طور نيماتيكي حقيقي في العديد من طين السميكتايت . أثار لانغمير مسألة وجود هذا الطور الليوتروبي عام 1938، [ 12 ] لكنها ظلت سؤالًا مفتوحًا لفترة طويلة جدًا ولم يتم تأكيدها إلا مؤخرًا. [ 13 ] [ 14 ] مع التطور السريع لعلوم النانو، وتخليق العديد من الجسيمات النانوية ثنائية الأبعاد غير المتناحية الجديدة، ازداد عدد هذه الأطوار المتوسطة النيماتية القائمة على الصفائح النانوية ثنائية الأبعاد بسرعة، مع، على سبيل المثال، معلقات أكسيد الجرافين الغروية. والجدير بالذكر أنه تم اكتشاف طور صفائحي، H3Sb3P2O14 ، والذي يُظهر انتفاخًا مفرطًا يصل إلى حوالي 250 نانومتر للمسافة بين الصفائح . [ 15 ] [ 16 ] 

التطبيقات

استخدم علماء في المعهد الكوري للعلوم والتكنولوجيا (KIST) تقنية تشكيل الأسطح بمساعدة البلورات السائلة الليوتروبية (LAST) لتطوير سلك موصل من أنابيب الكربون النانوية (CNT) خالٍ من المعادن. تتميز الكابلات الكهربائية المركبة ذات الغلاف واللب المرنة (CSCEC) الناتجة بقدرتها على توصيل الكهرباء، كما أنها أخف وزنًا بكثير من الكابلات التقليدية. يتكون كل سلك من لب موصل يبلغ قطره حوالي 256 ميكرومترًا، محاط بغلاف سمكه 10 ميكرومترات. وقد استُخدم هذا السلك لاستبدال جميع أسلاك النحاس في نموذج أولي لمحرك كهربائي. [ 17 ]

مراجع

  1. 1 2 بارون، م. (2003). "تعريفات المصطلحات الأساسية المتعلقة بالبلورات السائلة ذات الكتلة المولية المنخفضة والبوليمرات (توصيات الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية 2001)" . الكيمياء البحتة والتطبيقية 73 (5): 845-895 . doi : 10.1351/pac200173050845 . S2CID 95656853 . 
  2. ↑ غارتي، ن.؛ سوماسونداران، ب.؛ ميزينغا، ر.، محرران. (2012). هياكل فوق جزيئية ذاتية التجميع: بلورات سائلة ليوتوبية . وايلي. doi : 10.1002/9781118336632 . ISBN 9781118336632.
  3. ↑ لاغروال، جان بي إف؛ جيسلمان، فرانك (2006). "مواضيع حديثة في أبحاث البلورات السائلة السمتيكية". ChemPhysChem . 7 (1): 20–45 . doi : 10.1002/cphc.200500472 . PMID 16404767 . 
  4. ↑ تشيتشن ليانغ؛ بينغتاو ليو؛ تشنغ ليو؛ شيغاو جيان؛ دينغي هونغ؛ يانغ لي. (2005). "تخليق وخواص البوليمرات المشتركة البلورية السائلة الليوتروبية المحتوية على وحدات فثالازينون وروابط إيثر". بوليمر . 46 (16): 6258-6265 . doi : 10.1016/j.polymer.2005.05.059 .
  5. ↑ جين، هيونغ جون؛ بارك، جاي هيونغ؛ فالوزي، ريجينا؛ كيم، أونغ جين؛ سيبي، بيغي؛ كابلان، ديفيد ل. (2006). "المعالجة الحيوية لبروتينات الحرير للتحكم في التجميع". في لويس، راندولف ف.؛ رينوجوبالاكريشنان، ف. (محرران). التكنولوجيا النانوية الحيوية. من البروتين إلى الأجهزة النانوية . سبرينغر. ص 194. ISBN  978-1-4020-4219-5.
  6. ↑ جين، هيونغ جون؛ بارك، جاي هيونغ؛ فالوزي، ريجينا؛ كيم، أونغ جين؛ سيبي، بيغي؛ كابلان، ديفيد ل. (2006). "المعالجة الحيوية لبروتينات الحرير للتحكم في التجميع". في لويس، راندولف ف.؛ رينوجوبالاكريشنان، ف. (محرران). التكنولوجيا النانوية الحيوية. من البروتين إلى الأجهزة النانوية . سبرينغر. ص 191. ISBN  978-1-4020-4219-5.
  7. ↑ دومينيتشي، فالنتينا؛ ماركيتي، أليساندرو؛ سيفيلي، ماريو؛ فيراتشيني، كارلو ألبرتو (2009). "ديناميكيات L-فينيل ألانين-d8 الموجه جزئيًا في نظام CsPFO/H2O الليوتروبي عبر دراسات استرخاء الرنين النووي المغناطيسي للبروتون ". لانغمير . 25 (23): 13581-13590 . doi : 10.1021/la901917m . PMID 19761270 . 
  8. ↑ بلومشتاين، ألكسندر، محرر. (1985). البلورات السائلة البوليمرية . سبرينغر الولايات المتحدة. doi : 10.1007/978-1-4899-2299-1 . ISBN 978-1-4899-2301-1.
  9. ↑ ديفيدسون، باتريك؛ غابرييل، جان كريستوف؛ ليفيلوت، آن ماري؛ باتيل، باتريك (1993). "بوليمرات معدنية بلورية سائلة نيماتية". مواد متقدمة . 5 (9): 665-668 . doi : 10.1002/adma.19930050916 .
  10. ↑ ديفيدسون ب، غابرييل جيه سي (2003). "البلورات السائلة المعدنية من التجميع الذاتي للأنظمة النانوية غير المتناحية". توب كارنت كيم . 226 : 119. doi : 10.1007/b10827 .
  11. ^ كليم، ديتر. كريمر، فريدريك. موريتز، سيباستيان. ليندستروم، توم؛ أنكرفورس، ميكائيل. غراي، ديريك. دوريس، آني (2011). “النانوسليلوز: عائلة جديدة من المواد الطبيعية”. Angewandte Chemie الطبعة الدولية . 50 (24): 5438-5466 . دوى : 10.1002/anie.201001273 . بميد 21598362 . 
  12. ↑ لانغمير الأول (1938). "دور قوى التجاذب والتنافر في تكوين التكتويدات، والهلاميات الانسيابية، وبلورات البروتين، والمتجمعات الغروية". مجلة الفيزياء الكيميائية . 6 (12): 873. Bibcode : 1938JChPh...6..873L . doi : 10.1063/1.1750183 .
  13. ↑ غابرييل جيه سي، سانشيز سي، ديفيدسون بي (1996). "ملاحظة بنية البلورات السائلة النيماتية في الهلام المائي لطين السميكتايت". مجلة الكيمياء الفيزيائية 100 (26): 11139. doi : 10.1021/jp961088z .
  14. ↑ باينو إي، فيليب إيه إم، أنتونوفا ك، بيهانيك آي، ديفيدسون ب، دوزوف آي، وآخرون (2013). "الخواص البلورية السائلة للمعلقات المائية لصفائح نانوية من الطين الطبيعي". مراجعات البلورات السائلة . 1 (2): 110. doi : 10.1080/21680396.2013.842130 . S2CID 136533412 .  
  15. ↑ غابرييل جيه سي، كاميريل إف، لومير بي جيه، ديسفو إتش، ديفيدسون بي، باتاي بي (أكتوبر 2001). "طور صفائحي بلوري سائل منتفخ قائم على صفائح صلبة ممتدة" (ملف PDF) . مجلة نيتشر . 413 (6855): 504-508 . Bibcode : 2001Natur.413..504G . doi : 10.1038/35097046 . PMID: 11586355. S2CID : 4416985 .  
  16. ↑ ديفيدسون، ب.، بينيسون، س.، كونستانتين، د.، غابرييل، ج. ب. (يونيو 2018). " الأطوار المتناحية، والنيماتية، والصفائحية في المعلقات الغروية للصفائح النانوية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 115 (26): 6662-6667 . Bibcode : 2018PNAS..115.6662D . doi : 10.1073/pnas.1802692115 . PMC 6042086. PMID 29891691 .  
  17. ↑ سالاس، جو (11 يونيو 2025). "محرك كهربائي ثوري يعمل بدون ملفات معدنية" . نيو أطلس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يونيو 2025 .

للمزيد من القراءة

  • لافلين، آر جي (1996). سلوك المواد الفعالة سطحياً في الطور المائي . لندن: أكاديميك برس . ISBN 0-12-437760-2.
  • فينيل إيفانز د. ووينرستروم هـ. (1999). المجال الغرواني . نيويورك: وايلي في سي إتش . رقم ISBN 0-471-24247-0.