Жидкие кристаллы в условиях альтерации



Жидкие кристаллы, существующие на пересечении материального и нематериального мира, являются предметом исследования в области медицины и философии. Они, хоть и не являются обычными кристаллами в классическом понимании этого термина, но нашли широкое применение в данных областях.

Благодаря своей способности реагировать на изменения в окружающей среде жидкие кристаллы могут использоваться для создания более точных и чувствительных методов диагностики. Их применение в медицине открывает возможности для раннего выявления заболеваний и повышения эффективности лечения. Помимо практического применения, жидкие кристаллы вызывают неподдельный интерес у философов, стремящихся понять фундаментальные аспекты существования. Вопросы о происхождении жизни, о гранях между живым и неживым, о смысле смерти — все это становится предметом активных дискуссий и исследований.

Ключевые слова: жидкий кристалл, свойство, трансформация, альтерация, применение.

Liquid crystals existing at the intersection of the material and immaterial worlds are the subject of research in the field of medicine and philosophy. Although they are not ordinary crystals in the classical sense of the term, they have found wide application in these fields.

Due to their ability to respond to changes in the environment, liquid crystals can be used to create more accurate and sensitive diagnostic methods. Their use in medicine opens up opportunities for early detection of diseases and improving the effectiveness of treatment. In addition to practical applications, liquid crystals are of genuine interest to philosophers seeking to understand the fundamental aspects of existence. Questions about the origin of life, about the boundaries between the living and the inanimate, about the meaning of death — all this is becoming the subject of active discussions and research.

At the crossroads of sciences, liquid crystals represent an interdisciplinary field of research combining natural sciences and humanities.

Keywords: liquid crystal, property, transformation, alteration, application.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое [6].

Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру под воздействием внешних факторов, таких как температура, давление или электрическое поле. В свою очередь, альтерация — это процесс изменения или модификации состояния материала под воздействием внешних факторов, таких как температура, давление, влажность, свет и другие.

В случае с жидкими кристаллами, альтерация может привести к изменению их структуры, свойств и поведения. Например, изменения температуры могут вызвать различные фазовые переходы в жидкокристаллических материалах, что в свою очередь может привести к изменению оптических характеристик или механических свойств.

В медицине жидкие кристаллы могут быть использованы для создания новых методов диагностики и лечения заболеваний. Примером использования жидких кристаллов в медицине может быть создание датчиков для контроля различных параметров в организме пациента. Например, жидкие кристаллы можно использовать для измерения уровня определенных веществ в крови или других биологических жидкостях, что может быть полезно для диагностики различных заболеваний.

Таким образом, исследование жидких кристаллов в условиях альтерации открывает новые возможности для диагностики, терапии и контроля различных заболеваний. Важно также отметить, что жидкие кристаллы являются сложными материалами, и их применение в медицине может потребовать разработки новых методов производства, обработки и контроля качества.

Цель — изучение истории открытия, особенностей структуры и свойств жидких кристаллов в клетках и биожидкостях организма с целью потенциального использования в медицине.

Материалы и методы исследования

Было проведено ретроспективное интервенционное исследование, в котором приняли участие 164 пациента, госпитализированные в экстренном порядке с сочетанными и множественными повреждениями. Математические данные были проанализированы с помощью ретроспективного анализа, а их значения подверглись непараметрическим методам оценки.

Были изучены работы, посвященные области исследования жидких кристаллов, которые были опубликованы (1944–2024) в научных базах данных: Google Academia, Pubmed и Cyberleninka. Также были проанализированы зарегистрированные патенты: способ диагностики воспалительного процесса (патент № 2122731 от 25.09.96), который позволяет просто, экономично и на ранней стадии выявить наличие воспаления, до того, как появятся изменения других параметров крови. Способ оценки тяжести травматической болезни (патент № 2169365 от 03.05.2000) дает возможность точно и просто оценить тяжесть первичного повреждения у пациентов с травмами опорно-двигательного аппарата за минимальное время, что важно при выборе тактики лечения, а также позволяет спрогнозировать время пребывания больного в стационаре. Для прогнозирования исхода травматической болезни, так же разработан новый тест (патент № 2225161 от 10.04.2004), который позволяет оценить и спрогнозировать на раннем послеоперационном этапе течение травматического процесса у больных с повреждениями опорно-двигательного аппарата.

Результаты исследований и их обсуждения

Жидкие кристаллы были открыты величайшими учеными своего времени, такими как австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер и немецкий физик Отто Леман. Их открытия внесли значительный вклад в наше понимание физических свойств веществ. Ф.Рейнитцер исследуя новое синтезированное им вещество, холестерилбензоат, обнаружил, что при температуре 145°С кристаллы этого вещества плавятся и образуют мутную жидкость, которая при 179°С становилась прозрачной. А немецкий физик Отто Леман обнаружил, что это вещество обладает двулучепреломлением. Явление двулучепреломления — это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света.

Детальные исследования показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Это фазовое состояние стало называться «жидкий кристалл» из-за его способности проявлять свойства обоих форм материи — жидкости и кристалла.

С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. «мезос» — промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества [1].

Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести [6].

В зависимости от характера расположения молекул, согласно классификации, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический, нематический и холестерический. Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 1. показаны схемы расположения стержне- и дискообразных молекул в трех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов [2].

Рис. 1. Основные типы расположения стержнеобразных (а-в) и дискообразных (г) молекул в жидких кристаллах: а — смектическая фаза, б — нематическая, в — холестерическая, г — дискотическая (n- директор) [2]

Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны) [6].

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться [6].

Холестерические жидкие кристаллы — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов [6]. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль) [3].

Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором — называемым «директором» [4].

В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 году Чандрасекаром [4].

В отличие от термотропных жидких кристаллов лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении ряда амфифильных соединений в определенных растворителях и имеют, как правило, более сложную структуру, чем термотропные жидкие кристаллы [10]. Амфифильные соединения состоят из молекул, содержащих гидрофильные и гидрофобные группы. Такие соединения широко распространены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы состоят из двух частей: полярной «головки» (СООН-группа) и углеводородного «хвоста» [СН3(СН2)n—]. Подобные соединения при растворении в воде, как правило, образуют мицеллярные растворы, в которых полярные головки торчат наружу, находясь в контакте с водой, а углеводородные хвосты, контактируя друг с другом, смотрят вовнутрь. Такие мицеллы и являются теми структурными элементами, из которых строятся лиотропные жидкие кристаллы, формируя, например, цилиндрическую или ламеллярную формы [2].

В отличие от термотропных жидких кристаллов, где образование определенного типа мезофазы определяется только температурой, в лиотропных системах тип структурной организации определяется уже двумя параметрами: концентрацией вещества и температурой. Лиотропные жидкие кристаллы наиболее часто образуются биологическими системами, функционирующими в водных средах, например, мембраны.

Современные структурные исследования показали, что мембрана представляет собой типичную лиотропную ламеллярную лабильную ЖК-структуру, состоящую из двойного слоя фосфолипидов, в которых «растворены» белки, полисахариды, холестерин и другие важные компоненты. Такое анизотропное строение мембраны, с одной стороны, позволяет защищать ее внутреннюю часть от нежелательных внешних воздействий, а с другой стороны, ее «жидкостной» характер обеспечивает высокие транспортные свойства (проницаемость, перенос ионов и др.), что придает клетке определяющую роль в процессах жизнедеятельности [10]. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, жидкие кристаллы образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния [6].

Важное применение жидких кристаллов — это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения — тепла. Термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения онкологических заболеваний (в частности, рак молочной железы) [6].

Современный уровень познания мира значительно превосходит те знания, которыми пользовались ученые XX века. Сейчас мы знаем намного больше об отдаленных уголках окружающего мира, однако формы познания остаются неизменными. Люди, осваивая новые методы и инструменты познания, открывают новые формы материи во всех ее проявлениях. С начала формирования научных взглядов (греческие ученые) до начала XX века ученые сформировали принципиальное представление о биосфере Земли и всех формах организации материи, как написал Владимир Иванович Вернадский [11].

Современное представление о уровнях организации жизни включает следующее:

1. Молекулярный уровень
2. Клеточный уровень
3. Органный уровень
4. Организменный уровень
5. Социальный уровень
6. Ноосфера [12].

Изучение жизни является целью большинства ученых. На вопрос о том, что такое жизнь, отвечено множеством работ. Существуют отдельные науки, посвященные исследованию проявлений жизни, а также целый комплекс биологических дисциплин. Ученые предпочитают искать основы жизни в микромире, но там доминируют стандартные объекты, лишенные индивидуальности, и механические взаимодействия. В любом случае, на вопрос «Что такое жизнь?" существует множество ответов. Каждая наука, а также философия и религия, предлагают свои варианты объяснений. Кажется, что ни одно из толкований сути жизни не будет убедительным до тех пор, пока мы не постигнем смысл смерти. Что такое смерть? Противостоит ли она жизни или господствует над ней? Может ли быть бессмертие для живых существ? Такие вопросы затрагивают каждого из нас. Они переносят нас не только в область теоретических размышлений, но и заставляют задуматься: как жить на этой земле? А существует ли иной мир? [7]

Человек, как живое существо, всегда стремился понять сущность жизни и ее происхождение. Уже в древности людей интересовали вопросы о происхождении жизни. Это нашло отражение в мифах разных народов. Например, древнегреческий миф о Пирре и Девкалионе описывает, как человеческий род был создан из «костей великой родительницы», то есть Земли. Существует множество других мифов, описывающих происхождение жизни из различных материалов, таких как глина, земля, дерево и другие [9].

С распространением христианства библейский рассказ о творении мира богом стал общепринятым. Библейская мифология препятствовала исследованиям реальных причин возникновения мира, и средневековым мыслителям оставалось лишь толковать библейские тексты [8]. Однако некоторые отцы церкви, такие как Блаженный Августин, пытались совместить библейские сказания с представлениями древних философов. Августин, утверждал, что всякое развитие протекает естественным путем благодаря тому, что бог вложил в материю действенную силу. Этот процесс, по его словам, можно воочию увидеть на примере роста дерева из семени, в котором уже заложены будущие ветви, листья, но создаются они постепенно, в результате действия вложенной богом потенциальной силы. Таким образом, Августин предложил толкование, согласно которому сказания Библии о шести днях творения следует понимать не буквально, а как символическое описание начала времени и течения времени.

Наука нового времени, основываясь на строгом методе научного исследования и на прямых или косвенных наблюдениях, пришла к выводу, что явления жизни подчинены строгой закономерности. В 18 веке эксперименты показали, что живые организмы состоят из тех же простых веществ, что и неорганическая природа, и что многие соединения, образующиеся в организмах, могут быть созданы искусственно.

Учение о клеточном строении живых тканей, и эволюционная теория Ч. Дарвина стали важными шагами в понимании природы жизни. Дарвин показал, что естественный отбор, борьба за существование и наследственность приобретенных признаков играют ключевую роль в эволюции видов. Однако, вопрос о генезисе живых организмов оставался открытым. Сложные лабораторные эксперименты в разных странах не привели к искусственному синтезу живого организма из неорганических веществ. Тем не менее, факты, полученные из «путешествий во времени» и из глубин геологического прошлого, позволяют предполагать, что история Земли началась с эры, лишенной жизни, и поиск этой эры продолжается [8].

В начале XX века немецкий ученый О. Леман предложил оригинальную теорию возникновения первичных форм жизни из жидких кристаллов, которые являлись своеобразными веществами, объединяющими свойства как жидкости, так и твердого тела. Он провел эксперименты, результаты которых показали капли жидких кристаллов, напоминающие одноклеточные организмы.

Одновременно с этим биохимик С. П. Костычев опубликовал брошюру «О появлении жизни на Земле», в которой критически отозвался обо всех предлагавшихся гипотезах самозарождения организмов. По его мнению, вероятность случайного появления живой клетки совершенно невероятна, а аналогия с фабрикой лишь подчеркивает сложность структуры даже самых простейших микроорганизмов: «Если бы я предложил читателю обсудить, насколько велика вероятность того, чтобы среди неорганической материи путем каких-нибудь естественных, например, вулканических процессов случайно образовалась большая фабрика- с топками, трубами, котлами, то такое предложение в лучшем случае произвело бы впечатление неуместной шутки. Однако простейший микроорганизм устроен еще сложнее всякой фабрики, значит, его случайное возникновение еще менее вероятно». Общий вывод Костычева таков: «Как отзвуки споров о самозарождении окончательно заглохнут, тогда все признают, что жизнь только меняет свою форму, но никогда не создается из мертвой материи» [7].

В 1923 году В. И. Вернадский развил эти идеи в своем докладе «Начало и вечность жизни». Он утверждал о коренном различии живой и мертвой материи, а также выдвинул тезис о том, что жизнь является геологически вечной. Иначе говоря, в геологической истории мы не можем обнаружить эпохи, когда на нашей планете отсутствовала жизнь. Однако последующее развитие научной мысли привело к изменениям представлений о зарождении жизни. В ходе дальнейших исследований было выяснено, что процесс возникновения жизни на Земле до сих пор остается загадкой [8].

В настоящее время все более признается, что грань между живым и неживым не так легко установить, как это считалось ранее. В свете этих новых представлений становится ясно, что понятия «кристалл» и «жизнь» оказываются гораздо ближе, чем предполагалось. Исследования кристаллических структур привели к удивительным параллелям с живыми организмами, открывая новые перспективы для понимания природы и эволюции жизни на Земле [5].

Современная механическая травма характеризуется тяжестью повреждений, которые определяют: возросшая энергия механического повреждения (за последние 100 лет увеличилась в 20–30 раз), ухудшающаяся демографическая ситуация (увеличение доли пожилых людей, различные остеодистрофии, кумуляция хронических заболеваний и т. п.). В целом проблема травматологии вырисовывается как эпидемия травматической болезни с возрастающей восприимчивостью. Становятся актуальными не только общеизвестные клинико-диагностические методы, но и поиск, и разработка новых способов оценки состояния организма и его систем в целом, мониторинг состояния и лечения, прогнозирование течения заболевания.

Результаты исследования показывают, что сложная физико-химическая архитектура жидких кристаллов достаточно ранима, даже небольшое механическое воздействие приводит к волнообразному распространению альтерирующего эффекта на весь объем вещества. Возможность регистрации нарушений в молекулярной структуре позволяет диагностировать патологический процесс на самой ранней, т. е. доклинической стадии развития, а при высокоэнергетческих повреждениях отражает объем повреждения.

В течение последних лет, была проведена планомерная научная работа по изучению некоторых физических свойств сыворотки больных с тяжелыми и множественными повреждениями опорно-двигательного аппарата. На основании наблюдений и исследований разработаны совершенно новые способы оценки тяжести травматической болезни (патент № 2169365 от 03.05.2000), воспалительного процесса (патент № 2122731 от 25.09.96). Для прогнозирования исхода травматической болезни, так же разработан новый тест (патент № 2225161 от 10.04.2004).

Эти методы использованы в лечении более сотни больных показали свою эффективность. Все методики основаны на физической оценке некоторых свойств органических молекул в построении кристаллов. Молекулярные агрегаты, которые образуются в биожидкости, обладают анизотропией свойств, дихромизмом, двулучепреломлением и оптической активностью. Биожидкость не является однородным жидким кристаллом, а представляет собой сложную дисперсную систему, содержащую агрегаты липидов, белков и других биомолекул с жидкокристаллическим упорядочением.

Это главное и основное состояние вещества в живом организме, является одним из уровней организации жизни в биосфере, именно жидкие кристаллы составляют суть перехода от органических молекул к клетке.

Изучение биофизичеких свойств крови дает информацию о тяжести первичного повреждения при травме, а также при обширном хирургическом вмешательстве, является ценным и точным прогностическим критерием течения травматической болезни, прост в применении и дешев. У всех больных изменения нормализуются через 1–1,5 месяца после операции при благоприятном течении послеоперационного периода.

Дальнейшая разработка в данном направлении позволит по-новому понять природу механической травмы, ее патогенез, диагностировать ранние осложнения в период травматической болезни, разработать принципиально новые методы лечения. Применение знаний о жидких кристаллах в биологических науках переосмыслит различные проблемы биологии и медицины, процессы гомеостаза и патологии, открывая новые перспективы. С философской точки зрения, жидкие кристаллы помогли по-новому взглянуть на процесс зарождения жизни. На перекрестке наук жидкие кристаллы представляют собой междисциплинарную область исследования, объединяющую в себе естественные и гуманитарные науки.

Литература:

1. Минько, А. А. Физика жидких кристаллов: пособие / А. А. Минько. — Минск: БГУ, 2017. — 111 с. — Текст: непосредственный.
2. Шибаев, В. П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости / В. П. Шибаев // Соросовский Образовательный Журнал. — 1996. — N11. — С. 37–46. — Текст: непосредственный.
3. Чандрасекар, С. Жидкие кристаллы / С. Чандрасекар. — М.: Мир, 1980. — 344 с. — Текст: непосредственный.
4. Салем, Р. Р. Физическая химия. Термодинамика / Р. Р. Салем. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 352 с. — Текст: непосредственный.
5. БОРИСОВА, О. Н. Значение кристаллизации биологических жидкостей для повседневной практики и перспективы / О. Н. Борисова, Ю. И. Цкипури, Е. А. Беляева // Вестник новых медицинских технологий. — Текст: электронный. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/znachenie-kristallizatsii-biologicheskih-zhidkostey-dlya-povsednevnoy-praktiki-i-perspektivy-nauchnyy-obzor-literatury/viewer (дата обращения: 23.05.2024)
6. Бессонов, Д. А. Жидкие кристаллы, строение, свойства / Д. А. Бессонов // Материалы XVI Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». — Текст: электронный. — URL: https://scienceforum.ru/2024/article/2018035364 (дата обращения: 23.05.2024).
7. Баландин, Р. К. Жизнь, смерть, бессмертие? / Р. К. Баландин. -М.: Знание,1992. — 37 с. — Текст: непосредственный.
8. Вернадский, В. И. Начало и вечность жизни: статьи / В. И. Вернадский // сост. Г. П. Аксенов. — М.: «Гаудеамус», 2023. — 507 с. — Текст: непосредственный
9. Джеймсон, М. Г. Мифология Древней Греции/ М. Г. Джеймсон / Пер. В. А. Якобсона. — М., 1977. — 233–282 с. — Текст: непосредственный.
10. Последович, Н. Р. Жидкие кристаллы: учебное пособие по курсу «Физика» / Н. Р. Последович, И.И Сергеев. — Минск: БГУИР, 2014. — 20 с. — Текст: непосредственный.
11. Вернадский, В. И. Труды по истории науки в России / В. И. Вернадский. — Москва: издательство «Наука», 1988. — 467 с. — Текст: непосредственный
12. Вернадский, В. И. Несколько слов о ноосфере / В. И. Вернадский // Успехи современной биологии. — 1944. — № 18. — С. 113–120. — Текст: непосредственный
13. Патент № 2169365Российской Федерации, МПК G01N33/48. Способ оценки тяжести первичной травмы: № 2000111096/14: заявл. 03.05.2000: опубл. 20.06.2001 / Жуков П. В., Осипенко А. В., Бердюгина О. В., Стэльмах К. К. — 2 с.
14. Патент № 2122731 Российской Федерации, МПК G01N 33/00. Способ диагностики воспалительного процесса: № 96119134/14: заявл. 25.09.1996: опубл. 27.11.1998 / Базарный В. В., Жуков П. В., Зыкина О. В., Кутепов С. М. — 2 с.
15. Патент № 2225161 Российская Федерация, МПК A61B 5/00. Способ прогнозирования течения травматической болезни у больных с повреждениями опорно-двигательного аппарата: № 2002117995/14: заявл. 05.07.2002: опубл. 10.03.2004 / Жуков П. В., Стэльмах К. К., Трифонова Е. Б., Осипенко А. В., Нефедов С. А., Антониади Ю. В. — 3 с.