фото показано с polit.ru

26 сентября в Центральном Доме журналиста прошла очередная постановка ProScience Театра. С темой «Жидкие кристаллы: от дисплеев до искусственных мышц» выступил Алексей Бобровский - известный российский ученый, доктор химических наук, профессор РАН, главный научный сотрудник Химического факультета МГУ.

Вечер вел журналист Никита Белоголовцев.

Никита Белоголовцев: Добрый вечер, дорогие друзья! Приветствую вас на первом в этом сезоне представлении «ProScience-театра»! Меня зовут Никита Белоголовцев. Прекрасно, что вы до нас дошли. Мы вернулись после летних каникул и отныне каждый месяц будем собираться здесь, в Центральном доме журналиста.

Открывает наш сезон в «ProScience-театре» Алексей Бобровский, я предлагаю его встретить громкими аплодисментами и пригласить на сцену. Какие-то факты об Алексее вы знаете, но, тем не менее, почти подробное досье прочитает моя коллега. Прошу.

Факты:

Алексей Юрьевич Бобровский родился в 1974 году в городе Елец Липецкой области и в уже в юном возрасте определился с профессией - хотел стать ученым. Сначала Алексей увлекся астрономией, а затем открыл для себя химию.

В 1991 году Алексей поступил на химический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова, где работа показалась ему рутиной, и его заинтересованность пошатнулась. Однако на четвертом курсе Алексей начал исследовать абсолютно новые соединения - жидкокристаллические дендримеры. Тогда же он написал свою первую научную статью и побывал на стажировке в лаборатории Берлинского технического университета. Затем Алексей Бобровский поступил в аспирантуру МГУ, которую окончил в 1999 году.

В 2009 году Алексей Бобровский стал лауреатом Премии Президента РФ для молодых ученых за крупные научные достижения по созданию многофункциональных фотохромных жидкокристаллических полимеров для информационных технологий. В настоящее время он доктор химических наук, профессор РАН и главный научный сотрудник химического факультета МГУ.

Никита Белоголовцев: Все верно?

Алексей Бобровский: Да, все верно.

Никита Белоголовцев: Я хотел вас спросить вот о чем: когда читаешь вашу биографию, то создается ощущение, что вы можете претендовать на статус абсолютно идеальной ролевой модели того, что называется «молодой ученый». Молодой, учился в России, тут же практически всю научную карьеру провел, исследования, гранты и прочее. Как вам кажется - вас иногда в таком статусе представляют? Вот посмотрите, у нас есть идеальный молодой ученый. «Молодой ученый здорового человека»?

Алексей Бобровский: Меня однажды озадачил вопрос: «Хотите ли вы быть успешным молодым ученым?» И что-то я промямлил в ответ, но, действительно, меня считали молодым ученым, достигшим чего-то… Но это смешно - молодой, старый… Какая разница.

Никита Белоголовцев: Алексей, по моему журналистскому опыту, у всех гостевых редакторов планеты есть специальные книги, где люди расписаны по разным амплуа: «Многодетный отец», «Любитель горных лыж»…

Алексей Бобровский: Такие социальные роли?

Никита Белоголовцев: Ну да. И думаю, что вы попали во все списки «молодые ученые», поэтому гостевые редактора всех ток-шоу теперь будут звонить вам по этому поводу. Вопрос, который занимает тех, кто, может быть, не очень пристально следит за российской наукой: считается, что для «молодых ученых» стараются создавать все условия, для того, чтобы не уезжали, оставались, чтобы стоило только позвонить, спросить, что нужно - и все будет. Есть такое?

Алексей Бобровский: Да, это так. Есть граница - хорошо быть молодым ученым до 35 лет. Потому что там есть куча разных грантов, разных проектов, очень здорово. До 40 лет тоже ничего, а вот после 40 - похуже. Ты уже не молодой ученый, крутись, как можешь.

Никита Белоголовцев: В 40 лет ученые проводят грустные дни рождения, потому что карета превращается в тыкву?

Алексей Бобровский: Да, 41-й день рождения уже очень грустный. Гранты для молодых докторов наук - уже все, да…

Никита Белоголовцев: Хорошо, давайте, пока вы молодой ученый…

Алексей Бобровский: Кстати, я уже не молодой. Мне уже 42.

Никита Белоголовцев: Вот оно что, поэтому перестали звонить с телевидения!

Алексей Бобровский: Да, уже ученый среднего возраста.

Никита Белоголовцев: О, тогда у вас осталось больше времени, чтобы посещать представления вроде нашего.

Давайте в двух словах расскажем тем, кто сегодня с нами, о чем у нас пойдет речь сегодня в рамках вашего выступления и на каких основных моментах мы сегодня сосредоточимся.

Алексей Бобровский: Я хотел бы рассказать про то, чем я занимаюсь уже четверть века, можно так громко сказать. Более того, этим я заинтересовался еще в школьные годы благодаря одной конкретной книжке, и так получилось, что я оказался в лаборатории, которая занимается жидкокристаллическими полимерами. Про это и хочу рассказать - в чем я больше всего понимаю и что больше всего люблю. И мне кажется, что для вас это тоже должно быть интересно - хотя бы потому, что каждый из нас в повседневной жизни пользуется жидкими кристаллами. Без них уже жизнь нельзя представить, потому что все мониторы, дисплеи - все сейчас работает на жидких кристаллах. Ну, и мне кажется, что должно быть немного любопытно - как же оно там внутри работает. Почему меняется цвет, почему мы видим какую-то картинку.

Никита Белоголовцев: Перед тем, как мы перейдем к первому фрагменту вашей лекции, я задам, может быть, профанский вопрос. Мне, как гуманитарию, простительно: у меня всегда существовало ощущение, что жидкие кристаллы - это дико молодая штука. И когда я узнал, что вы придете, у меня родился такой эпиграф, что вы чуть ли не ровесник того, чем вы занимаетесь. Но, насколько я сейчас понимаю, это гораздо более старая история, в том числе и довоенная?

Алексей Бобровский: Так получилось, что я как раз ровесник жидкокристаллических полимеров. Это более молодая наука. Первые публикации по полимерам - 1974 год. А вот сами жидкие кристаллы были открыты аж в 1888 году. Более того, были какие-то единичные публикации и сообщения еще до этого периода. Просто ими не особо интересовались.

Никита Белоголовцев: Хорошо, тогда я предлагаю перейти к нашему первому фрагменту - «История жидких кристаллов».

Алексей Бобровский: Ну да, и что это такое.

Никита Белоголовцев: Поехали!

Алексей Бобровский: Заминка небольшая…

Никита Белоголовцев: А давайте, я вас пока что про астрономию спрошу?

Алексей Бобровский: Давайте!

Никита Белоголовцев: Мне кажется, это вообще универсальный выход - в любой неловкой ситуации спрашивать ученого про что-нибудь еще. Вы же хотели стать астрономом, как мы знаем. В какой момент вы поняли, что - нет?

Алексей Бобровский: Надо сказать, что я до сих пор большой любитель, у меня есть несколько телескопов. В Москве тоже можно посмотреть Луну, планеты, кому интересно - приходите в гости, покажу, когда погода наладится. Почему вдруг химия возникла? И вообще - экспериментальная наука? Астрономия - это нечто такое наблюдательное, все процессы происходят где-то там далеко, звезды не потрогать, не изменить, а тут я начал делать эксперименты. Вначале - физические эксперименты, дома, из каких-то конструкторов и прочего, а потом - мне повезло: моя мама работала в химической лаборатории на заводе, который батарейки производит. И я дома сделал себе неплохую химическую лабораторию, в которой делал опыты и даже взрывы. У меня там были аналитические весы, аппарат Киппа - в общем, неплохая лаборатория, и это привело к тому, что я увлекся химией.

Никита Белоголовцев: Вопрос о том, как юный Алексей захотел стать ученым, был отвечен сам по себе.

Алексей Бобровский: Мои родители никакого отношения к науке не имеют, просто мама была лаборантом, но это привело к тому, что у меня был почти неограниченный доступ к разным реактивам. Интересно, что некоторые из них были вывезены еще из фашистской Германии. Такие вот раритеты.

Никита Белоголовцев: Магическое слово «аналитические весы» - презентация заработала!

Алексей Бобровский: Прекрасно. Я расскажу о жидких кристаллах, о том, как они используются сейчас и о разных интересных перспективах. Вначале я скажу, как было обнаружено жидкокристаллическое состояние и что это такое вообще, в чем уникальность жидких кристаллов, и каковы их области применения. Будет еще блок, посвященный красоте жидких кристаллов. Это не только интересно и важно, это еще очень красиво. И последний блок будет посвящен жидкокристаллическим полимерам и искусственным мышцам, то есть, возможному применению этих систем в будущем.

Большая часть веществ при низкой температуре переходит в кристаллическую фазу. В ней атомы и молекулы образуют трехмерную упорядоченную решетку, где каждый атом или молекула находятся на своем определенном месте. А вот при нагревании до определенной температуры кристалл превращается в жидкость, которая не упорядочена. Это так называемая изотропная жидкость. Это самый простой случай.

Но в 1888 году замечательный австрийский ученый Фридрих Рейнитцер обнаружил, что соединение с такой сложной структурой - он исследовал производные холестерина, выделяя его из разных растений - и вещество холестерилбензоат, если посмотреть на температурную шкалу, при низкой температуре до 145 градусов - обычный кристаллический порошок. Если нагреть выше, то образуется какая-то странная мутная жидкость, а выше 179 градусов образуется обычная прозрачная жидкость.

Он заинтересовался и отправил образец этого вещества и описание необычного поведения своему другу Отто фон Леману, который занимался тогда пластичными кристаллами и наблюдал их в такой вот поляризационный микроскоп. И он написал заметку, что существуют кристаллы, мягкость которых такова, что позволяет назвать их жидкими. Вот такая парадоксальная фраза. А Отто фон Леман после изучения холестерилбензоата написал статью о текучих кристаллах и возник термин «жидкие кристаллы». Он исследовал эти жидкие кристаллы с помощью примитивного поляризационного микроскопа, который подогревался газовыми горелками, менялась температура. С этого началась история жидких кристаллов. В ней было много всего, но мне хотелось бы отметить два момента.

Советский физик Всеволод Фредерикс исследовал ориентацию жидких кристаллов в магнитном и электрическом полях. И был обнаружен так называемый «эффект Фредерикса». Именно на этом эффекте работают все жидкокристаллические дисплеи. До конца 1960-х годов жидкие кристаллы были как некий курьез. Ими особо никто не интересовался, потому что было много всего интересного. Сам Фредерикс в то время больше интересовался теорией относительности, например. Всячески ее пропагандировал, писал статьи. Но с развитием микроэлектроники в 1968 году в Америке возник первый патент, который был посвящен созданию жидкокристаллического индикатора для систем отображения информации - циферблаты, калькуляторы. Мы это хорошо помним, и они до сих пор используются. Этот слайд демонстрирует три самых основных типа жидкокристаллических фаз. Вообще, их открыто уже несколько десятков, но самых главных три.

Прежде всего - нематическая фаза. Если представить молекулу в виде палочки, то в нематической фазе центр масс молекул разупорядочен, то есть, она ведет себя как неупорядоченная жидкость, но из-за того, что они такие вытянутые, им удобно «уложиться» и смотреть в одну сторону. У них возникает такой ориентационный порядок. Из этой структуры следуют очень важные оптические свойства, которые используются в жидкокристаллических мониторах.

Есть другие фазы, более сложные, но тоже очень интересные. Не всегда они, правда, используются, но, тем не менее, холестерическая фаза нашла использование. Она обладает ориентационным локальным порядком и спиральной надмолекулярной структурой. В смектической фазе тоже есть ориентационный порядок, но реализуется еще и слоистая структура.

До сих пор учёные обнаруживают новые фазы, и их уже несколько десятков.

На этом слайде - немного химии, как на самом деле все это устроено. И логика построения - как химик подходит к синтезу жидкого кристалла. Рассмотрим такое соединение - гептан. Оно содержит цепочку из семи атомов углерода. Это обычная изотропная жидкость, она плавится при очень низкой температуре, при -91 градусе переходит из кристалла в жидкость. При комнатной температуре это обычная горючая жидкость, кипит при температуре около 100 градусов, образует газ. Это компонент нефти. Другое вещество - цианбифенил. Два ароматических кольца связаны в такой палочкообразный жесткий фрагмент. Если молекула гептана гибкая, то эта уже жесткая. И, соответственно, из-за этой жесткости образуется кристаллическая фаза, которая плавится при 88 градусах. То есть, почти на 200 градусов выше. А выше этой температуры тоже наблюдается плавление и образуется изотропная, ничем не интересная, жидкость. Но, если эти два вещества соединить, эти две молекулы связать химически, то образуется вот что: получается кристаллическая фаза, существующая примерно до 30 градусов, затем возникает нематическая жидкокристаллическая фаза, а уже при температуре 42 образуется жидкость. Таким образом, мы связали гибкий «хвостик» и палочкообразный фрагмент и получили соединение, которое дало нам жидкокристаллическую фазу. То есть, желательно иметь что-то анизометричное, то есть, палочкообразное, желательно иметь такой гибкий «хвостик», и есть шанс, что получится жидкокристаллическое соединение.

Химики научились синтезировать огромное количество разных - их уже несколько сотен тысяч - и не обязательно палочкообразных, есть уже и дискообразные молекулы, но это темы отдельной лекции.

Но данное вещество еще интересно тем, что это - один из компонентов того, чем мы пользуемся - жидкокристаллического монитора. Для более удачных температур обычно смешивают до семи разных компонентов. И таким образом температура плавления снижается вниз, а температура перехода из нематической фазы в анизатропную жидкость увеличивается вверх. И мы имеем дисплей, который работает при нормальных условиях.

Никита Белоголовцев: Скажете, на той стадии развития науки, которая у нас есть сейчас, насколько точно химики могут предугадывать и предвосхищать создание новых веществ, применимых в реальной жизни, или это пока что история про «перебор» - попробуем, а вдруг оно там…

Алексей Бобровский: Точнее сказать, что это - история про перебор. Пока еще. Слишком сложными оказываются молекулы. Есть работы по моделированию за последние годы, одна итальянская группа, например, этим успешно занимается, но там до сих пор еще все на уровне очень простых молекул. Накоплен достаточно большой массив данных, и человек, который в этой теме, может интуитивно понять, что эта фаза получится. Но это все равно надо сделать, чтобы убедиться, заранее не скажешь.

Никита Белоголовцев: Тогда давайте сделаем небольшую паузу? Я задам еще вопрос. Меня очень заинтересовало, что вы сказали «интуитивно», потому что слово не самое распространенное, когда речь идет о научных исследованиях. Вы имеете в виду «интуитивно», потому что у нас нет 100% массива данных, который позволяет нам сказать, что «если А, то - Б»? Или что имеется в виду?

Алексей Бобровский: Нет, массив данных у нас есть. Есть база данных жидких кристаллов, которая содержит десятки тысяч таких соединений. Может быть, сейчас наступил такой момент, когда просто синтез жидкокристаллического соединения такого особого интереса не представляет. Все-таки синтезируют зачем-то. Возникают новые фазы какие-то и начинают интересоваться классом соединения, который мог бы дать эти фазы. Какой-то такой целенаправленный синтез, не просто, не ради того, чтобы получить жидкокристаллическое вещество, а с какой-то целью. Может быть, позже это будет более понятно.

Никита Белоголовцев: Понятно. Смотрите: в наших спектаклях обычно участвует еще третий персонаж, так называемый Скептик, он обычно сидит возле приборов, чтобы еще со светом в глаза отвечать пришлось. Вы будете в более легких условиях, Скептик выходит из отпуска чуть позже. Но вопрос от Скептика я сформулирую. Есть ощущение, что сфера вашей деятельности максимально применима. Нам нужен кристалл для решения какой-то задачи: чтобы монитор лучше показывал, чтобы он меньше уставал, реже перегорал и так далее. Есть ощущение, что сейчас вы и ваши коллеги движетесь перебором: нам нужно вот это, и мы синтезируем 15 миллиардов вариантов соединений, а пятнадцать миллиардов первый ответит на наш вопрос.

Алексей Бобровский: Нет, это не так.

Никита Белоголовцев: А как?

Алексей Бобровский: Обычно один из подходов удается. Во-первых, конечно, все время идет чтение научной литературы. Это одна из основных вещей, без этого никак. Сейчас все публикуется быстро, с этим проблем не возникает. Еще - конференции. И на основании этого массива данных возникает идея сконструировать новую молекулу либо сделать какой-то композит, который с большой вероятностью даст какое-то интересное свойство. Но самое интересное получается, когда возникает материал или композит со свойством, которое строго противоположно тому, что ожидалось. Тогда за это можно ухватиться и тут возникает то, что есть наука - изучение свойств, выявление каких-то законов природы (скажем так громко). И параллельно все это может найти какое-то применение. Но лично я не сильно фокусируюсь на применении, мне интересно как все это устроено, как оно себя ведет.

Никита Белоголовцев: А здесь может быть проблема ограниченности ресурсов, в которых вы существуете? Вам, например, приходится придумывать - что и как соединить, а кто-то более богатый, живущий в другой стране, может себе позволить просто синтезировать с утра до ночи и тем самым наверстывать отставание в теоретической базе?

Алексей Бобровский: Ну, есть разные подходы, и в наших российских условиях необходимо учитывать недостаток средств. Мой личный подход - я стараюсь не ввязываться в слишком уже популярные темы, где идет жесткая конкуренция, где много наработано. Можно спокойно заниматься делом, не думая, что кто-то тебя обгонит.

Никита Белоголовцев: А нет у вас истории, когда приходят к вам какие-нибудь грантодатели, и говорят: «Давайте уже смоделируем что-нибудь прорывное, перестаньте вы этой наукой заниматься!»?

Алексей Бобровский: Ну, во-первых, моделированием мы не занимаемся, мы, скорее, занимаемся тем, что получаем конкретный материал. И есть чисто прикладные проекты - с LG, Samsung, и там, действительно, конкретные задачи. Нужно для дисплея такую-то пленку с такими-то характеристиками - так мы тоже делаем.

Никита Белоголовцев: Круто! Давайте, продолжим и поговорим о современном применении.

Алексей Бобровский: Да, давайте. Вот, одно из применений - создание так называемых «умных окон». Вот как они устроены внутри. Это - срез этой пленки, в ней находится слой обычного полимера, например, полиметилметакрилат, и в нем диспергированы капли жидкого кристалла микронного размера, порядка нескольких микрон. И эта полимерная пленка находится между двух стекол с токопроводящим прозрачным покрытием.

И в отсутствии напряжения молекулы жидкого кристалла смотрят в разные стороны, хаотически. И за счет этого беспорядка свет, который падает на эту пленку, сильно рассеивается. Пленка мутная, как молоко. А вот если приложить электрическое поле, то молекулы выстроятся в электрическом поле в одном направлении. И материал подобран так, чтобы показатель преломления полимера и так называемый обыкновенный показатель преломления жидкого кристалла совпадали. И пленка в итоге выглядит совершенно прозрачной. Мы получаем мутное исходное состояние, а потом прозрачное. И вот такие окна, стекла больших размеров разные фирмы производят.

Здесь я хочу рассказать еще раз о «переходе Фредерикса» и о том, как устроен жидкокристаллический индикатор, который мы хорошо знаем. Устройство следующее: есть два стекла, на них нанесен токопроводящий слой в виде специальных сегментов. Нанесен тонкий полимерный слой, который ориентирует молекулы жидкого кристалла. Видите - на нижней подложке ориентирует в одном направлении, а на верхней - в перпендикулярном.

И реализуется поворот на 90 градусов, это называют «твист-ячейкой». Слой жидкого кристалла как бы испытывает поворот. И есть два поляризатора - это поляризационные фильтры, которые пропускают свет с определенной поляризацией. Поляризованный свет падает на этот слой жидкого кристалла, и он поворачивается вместе с молекулами жидкого кристалла и попадает на следующий поляризатор, который повернут перпендикулярно. То есть, поляризатор повернут перпендикулярно. И он спокойно проходит, мы видим прозрачную пленку, прозрачный слой. А вот, если приложить электрическое поле, то молекулы выстроятся вдоль электрического поля, за счет «перехода Фредерикса». Свет, уже поляризованный, падает вниз, упирается в поляризатор, ось которого повернута перпендикулярно, и не проходит. И там, где приложили поле, мы видим черный сегмент. Вот принцип действия такого жидкокристаллического индикатора.

Здесь показан образец первого жидкокристаллического дисплея. Этот слайд показывает, насколько маленькое напряжение нужно, чтобы переориентировать молекулы жидкого кристалла. Можно сделать гальванический элемент из двух картофелин - воткнуть цинковую и медную проволочку, и этих полутора вольт будет достаточно, чтобы эту ориентацию вызвать. Поэтому так распространены жидкие кристаллы: не нужно много энергии, чтобы ими управлять.

Цветной жидкокристаллический дисплей устроен, конечно, намного сложнее. Тут показана упрощенная схема его устройства. Есть фильтры с тремя цветами - красным, зеленым и синим. На основе этой трехцветности и реализуется вся цветовая гамма. Но в реальном жидкокристаллическом дисплее до 9 оптических слоев, потому что нужно много чего учитывать.

Еще о применении. Я немного уже сказал про холестерические жидкие кристаллы, они характеризуются спиральной надмолекулярной структурой. Здесь представлена четвертинка шага спирали, молекулы поворачиваются на 90 градусов. А так они в объеме холестерического жидкого кристалла поворачиваются на 360 градусов и много раз.

И чем замечательна такая периодическая структура с определенным шагом спирали - она обладает селективным отражением света. Получается, что длина волны этого селективного отражения зависит от шага спирали. То есть, меняя шаг спирали, мы можем эту полосу селективного отражения и цвет пленки менять. Таким образом, можно приготовить пленку черного цвета, наполненную холестерическим жидким кристаллом, шаг спирали которого очень сильно зависит от температуры. И можно визуализировать распределение температуры. Такие материалы используются в медицине. С их помощью можно быстро определить, где на теле повышенная температура, например. Но, конечно, дисплейное применение самое распространенное у жидких кристаллов.

Никита Белоголовцев: Я правильно понимаю, что, по сути, у вас дико интересная сфера деятельности, потому что какое-нибудь переворачивающее вот этот раздел науки открытие делается довольно случайно? Ведь существует огромная вероятность того, что кто-то, синтезируя нечто, в чем он уверен, как вы говорите, почти на 100 процентов, получит необычный результат, который совершенно все перевернет? Человек наткнется на возможность использования жидких кристаллов в сфере, где их вообще не ждали? И далеко не факт, что это будет какой-нибудь выдающийся ученый?

Алексей Бобровский: Да, конечно, возможно. И в любой сфере науки это возможно.

Никита Белоголовцев: Это я к тому, что 80 лет прошло от открытия до применения, и здесь точно такая же история, что буквально завтра, возможно, совсем неумелый аспирант придет к вам и… Не обидно? Вы долго работаете над чем-то, а потом - оп! - и открытие. Причем, совершенно случайное.

Алексей Бобровский: Я могу сказать, почему я этим занимаюсь, чем лично мне это интересно. Наверное, любой человек, который очень сильно увлечен чем-то, у него наступает момент единения с объектом исследования.

Никита Белоголовцев: Чувствуете себя жидким кристаллом?

Алексей Бобровский: Да, можно сказать и так. И в этом есть смысл. Некое слияние с исследуемым в момент исследования. Это самые интересные моменты, когда что-то вдруг получается так, как задумано. А еще интереснее, когда это получается наоборот, нежели задумывалось. И что-то «вылазит» совершенно необычное. И по мелочам такое происходит довольно часто. Конечно, большие открытия совершаются редко, но, мне кажется, что жизнь ученого состоит из таких открытий чуть ли не каждый день.

Никита Белоголовцев: Интересные философские вещи вы говорите. Я себя поймал на мысли, что это довольно взаимосвязано с тем, что, по вашим словам, одна из ваших любимых книг - это «Солярис» Лема.

Алексей Бобровский: Ну да. Она не то, чтобы самая любимая. Она больше всего на меня повлияла.

Никита Белоголовцев: Которая изменила вас и сделала вас - вами.

Алексей Бобровский: Да, так получилось, что в детстве я не очень много читал художественной литературы. Ну, была советская фантастика, но не очень много. А вот почему-то эта книга - я ее в первый раз прочитал лет в девять.

Никита Белоголовцев: Ничего себе!

Алексей Бобровский: Да, а потом перечитывал - какое-то бессчетное количество раз. И каждый раз я в этой книге находил что-то новое.

Никита Белоголовцев: Вы прочитали Лема в девять лет, а потом нашли в себе силы к нему вернуться? Если бы я прочитал его в девять лет, я бы проклял автора!

Алексей Бобровский: Ну, это такая фантастика-фантастика. Там много наукообразных рассуждений, конечно, но это нормальная фантастическая книга. Я недавно ее еще раз перечитал, специально. Более того, та версия, которую я читал в советские годы, оказывается, была урезана. Там было вырезано рассуждение про Бога. И, перечитывая ее недавно, я понял, что это очень страшная книга. Лем же был какой-то принципиальный агностик. Есть вещи, которые человеку совсем не понятны, они не могут быть поняты чисто из-за человеческой природы. И есть в этом безысходность. Но, все равно, по силе эта книга замечательна.

Никита Белоголовцев: А я все-таки задам вам вопрос «вдогонку»: как мне кажется, у людей, которые занимаются изучением первоосновы вещества, не может не возникать вопрос - а почему оно так придумано и почему оно так получилось?

Алексей Бобровский: Кто так придумал?

Никита Белоголовцев: И он ведет к тому - кто это придумал. Как вы на него себе отвечаете?

Алексей Бобровский: Сложный вопрос. Для ответа на него надо специально готовиться. Скорее, так отвечу: я получаю удовольствие от того, что я делаю, в том числе и эстетическое. И для меня «Кто?» или «Почему?» - чаще всего «Вот так!».

Никита Белоголовцев: Давайте, поговорим немного о красоте.

Алексей Бобровский: Да, давайте. Теперь о том, как начали исследовать жидкие кристаллы, и какой самый первый инструмент для изучения жидких кристаллов. Это - поляризационный микроскоп.

Это обычный микроскоп, который предназначен для того, чтобы рассматривать мелкие предметы. Но в нем вставлены анализатор и поляризатор, они скрещены, и свет, обычный белый свет, если проходит через обычную изотропную жидкость, то он упирается в этот анализатор и дальше не проходит. Человек видит темное поле. А вот если сюда поместить кристалл или жидкий кристалл, то видна великолепная картинка. Вот это - картинки, взятые из одной книжки, вот так выглядит нематическая фаза, смектическая фаза.

И все это выглядит в динамике, потому что это - жидкости. Это - капля холестерического жидкого кристалла на стекле, разная толщина и отражение этой спиральной надмолекулярной структуры. Это - такие характерные дефекты, маслянистые бороздки.

Это - голубая фаза одного из полимеров. Мне впервые удалось наблюдать на полимерах такую картинку аж в 1994 году. И с тех пор этот образец в таком виде лежит - эта мозаичная текстура, очень красивая.

А сейчас я покажу, как выглядит переход из нематической фазы в изотропный расплав при нагревании вещества. Вот такая схема. Снято это на обычную «мыльницу».

Нагреваем вещество, меняется показатель преломления, греем дальше - и вещество не исчезло, оно перешло в изотропный расплав.

Никита Белоголовцев: Давайте, перед тем, как мы поговорим о будущем, еще немного поговорим о вас. Несколько фактов о вас, Алексей.

Факты о лекторе

1. Самое большое его увлечение, не считая науки, - барабаны. Сочиняет и исполняет композиции на большой ударной установке.

2. Второе увлечение - любительская наблюдательная астрономия. У Алексея есть несколько телескопов, в которые он наблюдает разные объекты Космоса.

3. Алексей Бобровский - сторонник активного здорового образа жизни: ежедневно занимается йогой, посещает спортзал 5 раз в неделю и довольно серьёзно следит за своим питанием.

Никита Белоголовцев: Спасибо! Причем «довольно серьезно» - это еще очень мягкая фраза. Задам еще вопрос, Алексей. Мне кажется, что это дико интересно - быть ученым и питаться как-то необычно. Потому что понятно, что происходит в организме. Если бы я от чего-нибудь в еде отказался, я бы следил за своими субъективными ощущениями. А вы же еще понимаете, что у вас происходит на биохимическом уровне! Мне кажется, что это как-то дико захватывающе.

Алексей Бобровский: Дело в том, что вся эта история началась не так давно. Года два-три назад. Сказать, что я что-то понимаю - нет… Вообще, это тема отдельного разговора. Очень связаны образ жизни и то, что мы едим. Меняется мышление, стиль мышления. Мне кажется, что года три назад я во многом был другим человеком. Не хуже, не лучше, просто другим.

Никита Белоголовцев: Барабаны! Я учился в музыкальной школе и играл на трубе, скажу честно - мы ненавидели барабанщиков. И басистов. Потому, что, когда им - барабанщикам или басистам - нужно было сдавать зачет, то собирали еще человек пять людей, которые к ним никак не относятся, потому что им нужен ансамбль. И получается - сдаешь свой зачет и идешь помогать барабанщику. Как вы пришли к соло на барабанах? Это же довольно редкая штука.

Алексей Бобровский: Это совсем редкая штука. В том виде, в каком я это делаю. Я увидел школу Терри Боззио - это американский барабанщик, он много, с кем играл, сам прославился игрой у Френка Заппы. Потом он, делая разные мастер-классы, озадачился: как бы это сделать поинтереснее? И он решил сделать какие-то композиции на барабанах. И таких людей в мире человека три-четыре, не больше. А я тогда жил в Германии и играл в одной немецкой группе, шло там все вяло и неинтересно. Меня эта идея Терри Боззио вдохновила - вот что мне надо! И я стал с 2004 года собирать установку, постепенно, и лет 10 назад она у меня сформировалась. На ней я и играю в основном. Но и с людьми я играю тоже.

Никита Белоголовцев: Я думаю, что вам много раз это говорили. Но в этом видео вы очень похожи внешне на Джона Леннона. Теперь предлагаю перейти к будущему жидких кристаллов.

Алексей Бобровский: Давайте перейдем, конечно.

Никита Белоголовцев: Чего нам ждать дальше помимо неожиданных открытий?

Алексей Бобровский: Будущее покажет, но могу представить свои фантазии на эту тему. Я расскажу про популярные научные направления.

Никита Белоголовцев: Понятно, что процессы сложнее, чем можно описать в двух словах. Но какой сценарий чаще реализуется, если мы говорим о будущем? К вам приходят ваши коллеги, которые используют ваши исследования на практике, и говорят: «Слушайте, давайте в эту сторону подумаем?» Или это вы говорите: «Мы тут открыли очень необычную штуку. Может, вы под нее что-то придумаете?»

Алексей Бобровский: Бывает и так, и так. Мне нравится, когда возникает нечто новое, некий новый материал. И часто он является не таким, как мы ожидали. Мы описываем его в научных публикациях. И в каком-то смысле я жду, когда люди, которые связаны с прикладными вещами скажут, что это им интересно. А бывает иначе, когда определенная фирма приходит с более-менее конкретными задачами. И тот, и другой подход имеет право на существование.

Одна из больших тем, над которой человечество работает - научиться использовать жидкие кристаллы в качестве разных жидкокристаллических сенсоров. Здесь - один из таких простых примеров. Берется медная решеточка, здесь она видна черным, в нее помещается слой жидкого кристалла.

Он лежит на стеклянной подложке, которая обработана так, чтобы молекулы жидкого кристалла ориентировались в этом направлении. И поэтому в поляризационном микроскопе никакого цвета мы не видим. И на поверхности жидкого кристалла молекулы тоже ориентированы перпендикулярно этой поверхности. А если налить сверху воду, то молекулам будет выгодно лечь перпендикулярно, вдоль поверхности, и мы увидим в микроскоп такую картинку - уже появится какой-то цвет, так называемая текстура нематического жидкого кристалла. Но вот если в воде что-то растворено - в данном случае я изобразил хвостатые молекулы, у которых головка полярная, она хочет быть в воде, а хвостик - не полярный, он хочет быть в жидком кристалле, эти молекулы сорбируются на этой поверхности и заставляют молекулы жидкого кристалла ориентироваться так же, как в самом начале, без воды. И мы снова видим черную картинку. Таким образом, растворяя в жидком кристалле какие-то хитрые молекулы, которые чувствительны к тому, что растворено в воде, мы можем реализовать такой сенсор на какие-то определенные молекулы. Этими вещам занимается группа Николаса Эббота в Америке, и там уже есть большие достижения в этом направлении.

Еще интересное применение - это разные хитрые оптические элементы. Например, в оптике очень важны разные дифракционные решетки. Мы специально приготовили жидкокристаллическую смесь, которая под действием света меняет свое направление и меняет свой период. И если такую решетку облучать ультрафиолетом, очень быстро происходит поворот этой решетки. Мы облучаем ее лазером и видим дифракционную картинку. Лазер расщепляется дополнительно на два пучка. И они поворачиваются за счет поворота дифракционной решетки. И достаточно быстро мы можем вращать под действием ультрафиолета этой дифракционной картинкой.

Мы, в основном, занимаемся жидкокристаллическими полимерами, и я хочу рассказать, что же это такое. Жидкие кристаллы чувствительны к внешним полям, обладают анизотропией оптических свойств, за счет чего их используют в мониторах и так далее. А полимеры обладают хорошими механическими свойствами. Это способность образовывать волокна, пленки, изделия. В конце 60-х годов стали думать о том, как бы эти два интересных свойства объединить в одно.

Пара слов про полимеры - это такие длинные цепочечные молекулы, состоящие из одинаковых или разных фрагментов. Полимеры бывают очень разные. Самый простой полимер - полиэтилен, это повторяющееся звено СН2-СН2-СН2. Самый сложный полимер - ДНК.

Никита Белоголовцев: При этом мы им пользуемся так же активно.

Алексей Бобровский: Да. И стали думать, как бы создать такой жидкокристаллический полимер, как соединить эту цепочечную молекулу с этими жесткими молекулами жидких кристаллов. Возникли два подхода: ввести эти жесткие молекулы в основную полимерную цепочку, либо привязать с помощью таких гибких развязок, получить гребнеобразный жидкокристаллический полимер.

И тут важно, что за счет такого связывания у нас есть некая автономия в движении основной полимерной цепочки, и в то же время у нас есть некая свобода, чтобы эти палочкообразные молекулы как-то упорядочились. Этот подход к созданию гребнеобразных полимеров возник в начале 70-х в лаборатории под руководством Николая Альфредовича Платэ, участвовали нынешний заведующий лабораторией Валерий Петрович Шибаев, Яков Самуилович Фрейдзон. Именно в этой лаборатории я сейчас работаю. Параллельно такие же работы велись в Германии, в одно и то же время.

Одно из преимуществ жидкокристаллических полимеров по сравнению с обычными жидкими кристаллами. Мне это преимущество сильно помогает в работе. Если посмотреть температурную шкалу, то вместо кристалла при определенной температуре образуется стеклообразная замороженная ориентированная структура. Полимер переходит в стеклообразное состояние. Как в янтаре застывают разные букашки, так и в случае жидкокристаллического полимера эта ориентация, которую мы получили, изменили, мы можем ее заморозить на долгие годы в этом стеклообразном состоянии. Это очень полезное свойство и для применения, и для исследований.

Никита Белоголовцев: А эта фаза, наверное, в каких-нибудь строго фиксированных и небольших температурных отрезках?

Алексей Бобровский: По-разному. Обычно я работаю с такими жидкокристаллическими полимерами, которые при комнатной температуре - стеклообразные, при температуре 30-40 градусов переходят в жидкокристаллическое состояние, а при температуре 120-130 градусов - в изотропный расплав.

Есть еще такая интересная возможность - делать сополимеры. Обычно мы делаем так называемые мономеры, и посредством полимеризации синтезируем гребнеобразные полимеры. Можно сделать их из одинаковых звеньев, а можно сделать разные звенья. И реализовать разные сочетания. Допустим, есть два вещества, они кристаллические, не дают стеклообразного состояния, а, во-вторых, они просто могут не смешиваться. А мы химическим путем можем заставить их быть вместе. Это позволяет сочетать несочетаемое, просто химически связывая. И это тоже порождает много разных возможностей, о которых можно долго рассказывать. Но давайте дальше.

Вот тут довольно давняя работа, эта картинка показывает так называемый жидкокристаллический эластомер.

Это такая резинка, которая при охлаждении растянута, а при нагревании она сокращается. Что такое эластомер? Это полимер, который образует трехмерную сетку, как резина. Резина же - это сшитый полимер. Есть линейные цепи, они между собой «связаны» еще химическими «сшивками». Но в случае резины это сера, а тут может быть более сложная «сшивка». И получается, что при нагревании мы из ориентированного состояния переходим в изотропную фазу, и за счет того, что молекулы разупорядочились, они меняют форму этой полимерной сетки. Это позволяет реализовать при нагревании такое сокращение. Такие материалы называется термоактюаторами. Термо - температура, актюатор - материал, который переводит энергию тепла или электричества в механическую работу. Учёные научились делать разные ленточки, которые при разных температурах имеют разную форму, скукоживаются в гармошку при нагревании или охлаждении, в общем, реализуют разнообразие форм. Применение таких материалов в робототехнике, по-моему, очевидно.

Но интересно это делать не при помощи нагревания, а при помощи света. Свет все-таки поудобнее, чем нагрев. Лазером можно засветить далеко - и что-то изменится.

Это уже наша работа - мы сделали такую пленку, которая под действием ультрафиолета сильно сгибается, а без света - разгибается. Хочу показать одну из возможных гипотез - почему это работает: у нас есть такое ориентированное состояние, полимерная сетка. При облучении в верхнем тонком слое наблюдается изомеризация, о которой я сказал. Здесь происходит как бы сокращение этой полимерной сетки, и это приводит к тому, что она гнется в определенном направлении.

Работ в этом направлении уже много, и именно поэтому я немного перестал этим заниматься. Слишком уж популярная область в науке, я не хочу ни с кем конкурировать.

Вот, например, голландская группа научилась делать так, что в одном месте этой ленты -правая спиралька, здесь - левая спиралька. Если облучать, то эта спиралька раскручивается, а эта - закручивается. Это аналогия с ростками дикорастущего огурца. Возможны самые разные вариации это фото-актюации.

И я не могу не рассказать о замечательных - как я их перевел - ходунках на световом топливе. Эта итальянская группа сделала такие маленькие штучки, которые под действием света очень быстро сокращаются на 20%. И им пришло в голову не просто заставить это сокращаться, а сделать что-то вроде ходунка, чтобы что-то ходило.

Как они это сделали? Это не совсем простая штука, потому что мало вырезать кусочек, причем, очень маленький - меньше миллиметра. Они вырезали кусочек из эластомера и сделали специальным методом двухфотонной полимеризации ножки. И вот фотография - до облучения он вот такой вытянутый, а после - сократившийся.

Сразу скажу, что не очень хорошо у них получилось, но сам пример очень забавен. У них даже есть видео, когда этот ходунок прилип к стеклу.

Потом они его облучали, облучали - он прыгнул и улетел. Они его не нашли! Он же меньше миллиметра. Попеременно включают и выключают свет, и он вот так смешно сокращается. Но пока у них проблема - он ползет не туда, куда они хотят. Но ведь ползет же!

Никита Белоголовцев: Я правильно понимаю, что он ползет в непредсказуемом направлении, потому что он непредсказуемо сжимается?

Алексей Бобровский: Он сжимается в направлении длинной оси. И видите, они сделали ножки немного ассиметричными, чтобы он полз все-таки в какую-то сторону.

Вот он не очень у них ползет в одну сторону. Гуляет в разные стороны. Посмотрим, может, они что-то еще сделают. Найдет это конкретное применение или нет - посмотрим. Вообще, такие фотоактюаторы могут найти применение в микрофлюидике. Это модное направление, когда делают разные устройства, в которых по микроканалам течет жидкость. И вот надо управлять этим потоком. И можно управлять этой жидкостью включением и выключением этих термо-фото-актюаторов.

Этот слайд демонстрирует всякие возможности использования ЖК-полимеров. Создаются прочные волокно-изделия, например, кевлар, из которого делают бронебойные жилеты. На одной стадии приготовления там очень важно жидкокристаллическое состояние. Почему он прочный - потому что молекулы полимера вытягиваются в одном направлении, монокристалл такой получается, за счет этого реализуется такая большая прочность. Там очень важно это жидкокристаллическое состояние.

Жидкокристаллические мониторы - это самое глобальное применение. Умные стекла с управляемым светорассеиванием, разные термоиндикаторы, устройства отображения информации, не обязательно дисплеи. Применение в оптике, фотонике, разные оптические фильтры, разные электротехнические компоненты, когда на каких-то платах можно видеть, как меняется температура - нанести холестерические жидкие кристаллы и реализовать изменения температуры. В конце концов, разные декоративные покрытия: есть даже пигменты, которыми можно красить автомобили и цвет будет зависеть от угла наблюдения. Здесь он красноватый, а если посмотреть под другим углом, он голубеет.

Дальше - немного о книгах.

Никита Белоголовцев: Давайте!

Алексей Бобровский: Я бы хотел посоветовать разные книги Анатолия Степановича Сонина и рассказать о некотором участии Сонина в моей судьбе. Одна книга «Кентавры природы» 1982 года выпуска. Именно ее я прочитал в 1989 году и заинтересовался жидкими кристаллами. Когда поступил в университет в 91-м году, я узнал, что есть лаборатория, которая занимается жидкокристаллическими полимерами, и пришел в нее. Во многом благодаря этой книжке. Судьба распорядилась так, что в 1996 году, когда я защищал диплом, он был рецензентом моей дипломной работы. Вот так бывает. Сейчас ему 85 лет, он пишет книги по истории науки, очень интересные.

Никита Белоголовцев: Я правильно понимаю, что это автор, который был актуален и тогда, когда вы заинтересовались этой наукой, продолжает быть актуальным и сейчас, когда вы уже состоялись как ученый?

Алексей Бобровский: Да. Он пишет интересные книги не только по истории науки. Здесь я привел книги именно о жидких кристаллах. Совсем недавно вышли две книги А. С. Сонина по жидким кристаллам: «Жидкие кристаллы. Первые сто лет». Книга 1: От открытия до Второй мировой войны. Книга 2: От Второй мировой войны до конца XX века. Издательская группа URSS, 2015.

А тем, кто заинтересовался жидкокристаллическими полимерами - обзорная статья нашего заведующего лабораторией в журнале «Высокомолекулярные соединения» - «Жидкокристаллические полимеры: прошлое, настоящее и будущее». Если есть какие-то вопросы, то я могу прислать статьи, показать лабораторию. И можно мне писать на мейл, найти в соцсетях, я там есть.

Никита Белоголовцев: Огромное вам спасибо! Последний вопрос перед непосредственно вопросами из зала я задам от себя. Как и все мало интересующиеся наукой люди - я это говорю про гуманитариев - мы очень любим моменты, когда о науке надо знать хорошо. Это - Нобелевская премия. Давайте, представим, что у вас есть тот самый миллион, который нужно вручить кому-то. И я хотел бы попросить вас вручить кому-нибудь Нобелевскую премию. Это может быть любой человек из прошлого, настоящего, будущего, кроме вас.

Алексей Бобровский: Если бы Фредерикс дожил, то очевидно, ему вручили бы Нобелевскую премию. Тут вопросов быть не может. На его эффекте работают все жидкокристаллические мониторы. Хотя в те годы он больше интересовался теорией относительности.

Никита Белоголовцев: Для тех, кто не знаком с его биографией - что с ним случилось?

Алексей Бобровский: Вообще, у Фредерикса очень интересная судьба. Он - сын барона Фредерикса, который эмигрировал во время Октябрьской революции. Карьера самого Фредерикса началась, если не ошибаюсь, в Швейцарии. Он был там профессором, но по каким-то причинам решил вернуться в Советскую Россию. В начале 1920-х. Он стал работать в Петрограде, заниматься жидкими кристаллами и теорией относительности. Но он был репрессирован в конце 30-х годов, погиб где-то далеко в 1943-м году. Если бы он дожил до 70-х годов, то ему вручили бы Нобелевскую премию, я в этом уверен. Конечно, сейчас много выдающихся ученых, но навскидку я не могу сказать, кто из них более выдающийся.

Никита Белоголовцев: Кто может быть более выдающимся, чем человек, на эффекте которого все в итоге и работает? Что же, друзья, у вас есть возможность задать вопросы.

Вопрос: Спасибо за интересную лекцию. Вы говорили, что много фаз жидких кристаллов, а для одного кристалла характерна одна фаза или бывает, что у одного кристалла их несколько? И второй вопрос: по вашему рассказу можно провести некоторые параллели с историей сверхпроводников, и вся их история загружена рассказами о том, как находили какие-то сверхпроводники, нарушающие правила. Есть ли такое же у жидких кристаллов? То есть, может ли быть найден такой класс веществ, который по классическим законам не должен образовывать жидкие кристаллы, а окажется, что образовывает?

Алексей Бобровский: Первый вопрос очень простой: действительно, бывают соединения, которые образуют чуть ли не десяток жидкокристаллических фаз. Чаще всего это одна - три фазы, зависит от температуры.

Второй вопрос сложнее. Навскидку… Есть один жидкокристаллический полимер, который образует некую фазу, только он. И поначалу - он был синтезирован в нашей лаборатории - его структурные характеристики приводили в большое недоумение. Эта фаза - ТДК-фаза -больше она нигде не наблюдается. Остальное надо посмотреть в литературе, об этом я подумаю.

Вопрос: Получается, что в кристалле молекулы жестко ориентированы, в жидкости они беспорядочны. А как, за счет чего они в жидком кристалле «немножко ориентированы»?

Алексей Бобровский: Тут можно провести простую механическую аналогию. Если взять коробку и набросать туда спичек, а потом потрясти, то спички туда уложатся как-то, более-менее в одном направлении. Не то, чтобы им так было выгодно ложиться или сориентироваться. Дело в том, что даже в кристалле молекулы не совсем точно стоят в этих местах. На самом деле, есть какое-то тепловое движение, они как-то шевелятся. Что происходит при нагревании? Их тепловая энергия увеличивается, и в какой-то момент они теряют связь между собой и превращаются в жидкость. И, если это молекулы шарообразной формы, то получается неупорядоченная жидкость. А есть молекулы палочкообразной формы, и они вначале могут дать такую жидкость, в которой есть ориентация, но центр массы не упорядочен. И тепловое движение их перемешивает. Но ориентация сохраняется. А потом, если мы их дальше греем, у них начинается движение вдоль короткой оси, они начинаются вращаться хаотически, так что весь порядок теряется. Примерно так это происходит.

Вопрос: А молекула при этом не распадается?

Алексей Бобровский: Бывают же вещества, для которых температуры очень высокие, и их надо греть в вакууме, чтобы они не окислялись. А есть вещества, которые существуют только в жидкокристаллической фазе, мы их греем, а они, вместо того, чтобы перейти в разупорядоченную фазу, просто разлагаются химически. Все-таки бОльшей части органических веществ повезло - температуры переходов находятся в приемлемых рамках, где-то при 40-50 плавится жидкий кристалл, а при 100-200, редко выше, плавится в изотропную жидкость. А если это плавится выше 400, то, скорее всего, органическое вещество начнет распадаться.

Вопрос: А неорганические соединения, минералы, могут образовывать жидкие кристаллы или нет?

Алексей Бобровский: Да. Могут. Очень даже. Есть целый класс соединений, их называют хромоники, это класс лиотропных соединений, которые образуют жидкокристаллическую фазу в растворе. И таких фаз-систем много, очень разных, в частности, производные вольфрама. То, что образует нечто анизометричное, например, палочкообразный кристаллик. Могут быть условия, когда в водной среде он даст упорядоченную фазу. Кстати, это сейчас довольно популярное направление.

Вопрос: Мне показалось, или некоторые картинки, действительно, похожи на фрактальные множества?

Алексей Бобровский: Да. Вообще, фракталы везде в природе встречаются. В частности, в жидких кристаллах - да.

У меня будет небольшой анонс. Я хотел бы порекомендовать прийти на «Фестиваль науки» в МГУ 7-9 октября, там у меня будет лекция в 16. 00.

Никита Белоголовцев: Алексей, огромное спасибо вам за эту лекцию, за открытие сезона! В завершении нашего представления - у нас же театр, и «ProScience-театр» начинается с ProScience-вешалки, вот, возьмите в память о том, что у нас побывали.

И теперь анонс уже от меня: следующее представление ProScience-Театра состоится в Центральном Доме журналиста 24 октября в 19:00. В гостях у нас будет физик Дмитрий Казаков. Рассказывать он будет о загадках физики микромира. Приходите!

Спасибо всем, кто пришел сегодня. До новых встреч!

Аналог Ноткоин - TapSwap Получай Бесплатные Монеты

Подробнее читайте на polit.ru