До конца прошлого века в этой области науки все обстояло спокойно. Было хорошо известно, что вещество может быть в трех состояниях — твердом, жидком, газообразном (о плазме тогда еще не говорили). Четко и ясно. Для тех же ученых, кому такое положение дел казалось слишком простым, имелась возможность глубоко изучать внутреннее строение тел. И тогда обнаружилось, что вещества, во-первых, могут иметь кристаллическую структуру — их молекулы, атомы или ионы расположены в строгом порядке, в результате чего свойства тела неодинаковы в разных направлениях. Таковы графит и поваренная соль, алмаз и лед. Во-вторых, вещества могут иметь структуру аморфную, неупорядоченную. Свойства их одни и те же по всем направлениям. Это жидкости. Ну а, в-третьих, среди этих последних есть, оказывается, монстры: по натуре своей, по внутреннему строению и многим свойствам они являются, вне всякого сомнения, жидкостями, но существуют в обличии твердого тела. Пример тому — стекло: обычная, аморфная, но твердая жидкость!
Казалось бы, естественно было одновременно с выявлением «парадокса стекла» предположить существование и парадокса с обратным знаком: кристаллического вещества, но в виде жидкости. Ведь природе так свойственна симметрия! Симметрия строения, процессов, явлений. Жар — мороз. Испарение — конденсация. Свет — мрак. Твердая жидкость — жидкий кристалл?
Однако предположения о существовании у стекла «симметричного антипода» не было сделано.
— Но в 1888 году, — рассказывает И. Г. Чистяков, — австрийский ботаник Рейнитцер синтезировал на основе холестерина новое кристаллическое вещество. Когда он эти кристаллы нагревал, при температуре 145 градусов они плавились, становясь мутной жидкостью, которая, будучи доведенной до 179 градусов, превращалась в прозрачный расплав. Во время охлаждения, переходя через границу 179 градусов, вещество вдруг обретало синеватую окраску. При дальнейшем падении температуры оно становилось мутным, синева исчезла, но у грани 145 градусов окраска появлялась вновь, и вещество закристаллизовывалось.
Пораженный необычайностью этих явлений, Рейнитцер попросил немецкого физика Лемана исследовать новые кристаллы. Тот взялся за дело и вскоре обнаружил ряд веществ, которым одновременно присущи и свойства жидкостей — текучесть, и свойства кристаллов — анизотропия, то есть неодинаковая, в зависимости от направления, способность преломлять свет, проводить тепло, электрический ток и так далее. Это состояние вещества Леман назвал жидкокристаллическим.
Термин этот звучал так непривычно, что в представлении многих физиков и химиков конца прошлого — начала нынешнего века граничил с абсурдом. Абсурдом казалось и состояние вещества, которое обозначалось этим термином. Одним словом, факт существования жидких кристаллов вызывал ожесточенные споры и подвергался сомнениям в течение четверти века после открытия, сделанного Рейнитцером и Леманом.
— Но, как выяснилось теперь, — улыбается Игорь Григорьевич Чистяков, — живая природа придумала жидкие кристаллы давным-давно, когда еще только приступала к созданию живых организмов. И как знать, не изобрети она этого состояния вещества, существовала ли бы на Земле нынешняя жизнь?
Некоторые ученые предполагают, что древнейшие предки животных и растений — «живые коллоидные капельки», возникавшие в густых и теплых волнах первичного Мирового океана, имели именно жидкокристаллическую структуру. Будучи пластичными, подвижными и изменчивыми, они, вместе с тем, обладали упорядоченностью расположения молекул, устойчивостью к внешним воздействиям и, более того, способностью активно извлекать из морской воды необходимые для своего существования и развития вещества.
Конечно, утверждать, что на заре земной жизни все обстояло именно так, сейчас трудно. Но вот современные факты. Сотрудники Ивановского государственного университета поместили в специальную камеру, в которой имитировали древний климат нашей планеты, обыкновенную нефть. И вскоре в ней были обнаружены капельки жидкого кристалла. Они образовались здесь сами по себе.
Исследования, выполненные разными научными коллективами в последнее время, показали, что многим структурным образованиям клеток и тканей животных и растений свойственно жидкокристаллическое состояние. Именно благодаря такому устройству стенки и внутренние перегородки клеток — мембраны — идеально приспособлены для осуществления обмена веществ: они мгновенно реагируют на изменения обстановки, регулируют взаимоотношения микроскопического организма со средой, способствуют деятельности ферментов, защищают клетку от разрушительного действия собственных биокатализаторов. Волокна гладких и поперечно-полосатых мышц «сделаны» в виде жидких кристаллов. Поэтому они могут, не разрушаясь, растягиваться и сжиматься без конца.
— Если я правильно вас понял, — прервал я Чистякова, — во мне тоже есть кристаллические жидкости?
Я очень надеялся, что не все понял верно. Почему-то было несколько не по себе от неожиданной мысли, что и в тебе содержатся эти странные вещества, пребывающие в каком-то необычном состоянии, которое не так давно считалось чепухой и абсурдом…
Но, оказывается, я понял Игоря Григорьевича правильно. Жидкие кристаллы в человеческом организме есть.
— Нельзя сказать, что человек состоит из них полностью, — с улыбкой стал успокаивать меня Чистяков, — но все-таки их в нас довольно много. К примеру, вещества, входящие в состав костей и сухожилий, оболочка нервных волокон, многие белки, жиры, ферменты, передающая наследственные признаки ДНК — все это существует или может существовать в форме жидких кристаллов. Даже мозг человека — не что иное, как сложная жидкокристаллическая структура. Целый ряд болезней людей связан с разладкой механизма образования и разрушения в организме этого состояния вещества. Например, холестериновая болезнь (губительно действующая на сосуды, печень, селезенку) имеет в своей основе предрасположенность организма к образованию жидкокристаллических соединений холестерина, циркулирующих в крови. Они-то и отлагаются на стенках сосудов, образуя печально знаменитые холестериновые бляшки, закупоривающие сосуды и преграждающие доступ крови к жизненно важным органам.
— Всё нас убеждает, — продолжал ученый, — что антипод стекла имеет огромное значение в живой природе. Но пока эта область очень мало исследована. И лишь можно предполагать, какой богатый урожай еще предстоит собрать науке.
Как это нередко бывает, открытие жидких кристаллов оказалось преждевременным. Человечеству этот подарок в ту пору был не нужен, и оно, словно подросток, которому нежданно-негаданно на виду у всех преподнесли букет цветов, долго не знало, что с ним делать и куда его деть.
Первое время интерес к новому состоянию вещества поддерживался благодаря спорам и сомнениям: открытие ли это, не нонсенс ли? А когда стало ясно, что да, открытие, люди только пожали плечами. Дескать, ну и что ж. И изучением жидких кристаллов занялось лишь несколько кристаллографов, физиков и химиков в разных странах. Были энтузиасты и в Советском Союзе. Особенно успешно экспериментальные и теоретические работы велись в Ленинградском университете В. К. Фредериксом и В. Н. Цветковым.
А десять лет назад в Иванове была создана лаборатория жидких кристаллов. И будто кто открыл шлюзы. Ивановны во главе с И. Г. Чистяковым, работавшим там в то время, за короткое время опубликовали более ста научных трудов, посвященных жидким кристаллам, сделали двадцать изобретений. Лаборатории и группы стали возникать всё в новых и новых институтах и городах. На вторую всесоюзную научную конференцию по жидким кристаллам, состоявшуюся в 1972 году, съехались представители ста учреждений и двадцати пяти министерств!
Интерес к жидким кристаллам наблюдается и за рубежом, особенно в США, ФРГ, Англии, Японии.
Если за первые тридцать лет исследований было открыто или синтезировано примерно триста химических соединений, способных образовывать эти загадочные, как их иногда называют, анизотропные жидкости, а за последующий такой же период их количество утроилось, то за последние десять — пятнадцать лет появилось несколько тысяч новых жидкокристаллических веществ. И темп этот год от года нарастает.