液晶的性质

液晶的性质及其应用

张琦，陈莜，吴军一，师安

1．什么是液晶

物质通常分为气态、液态和固态三态。它们在一定条件下可以相互转化。自然界的固体多为晶态。在晶态下，原子或分子紧密排列成晶格，其物理性质多为各向异性，有固定熔点，晶面间夹角相等。晶体熔化时由于晶格解体，出现流动性，此时的液体不再具有规则外形和各向异性特征。

通常的有机晶体加热到熔点就开始熔解，成为透明的液体。在偏光显微镜下观察时，可发现光学各向异性消失，从光学各向异性变为各向同性（因为几乎所有的有机晶体都显示光学各向异性，液体显示光学各向同性。）故可以用这种现象来测定熔点。然而，有一类化合物在熔解时却出现异常现象。当其晶体加热到温度T1时，熔解成粘稠状而稍微有些混浊的液体，但当继续加热到温度T2时，则变为透明的液体。从表面上看，这类有机化合物好像具有两个熔点。用偏光显微镜观察这类样品时，则发现在T1和T2温度之间所形成的混浊液体具有明显的纹理，表明它为光学各向异性。在温度为T2时所形成的透明液体在偏光显微镜在正交尼科耳棱镜下则出现暗视野，表明为光学各向同性。人们称T1和T2温度之间形成的显示光学各向异性的液体为液晶。其熔融或溶解之后虽然变为了具有流动性的液态物质，但结构上仍保存一维或二维有序排列，在物理性质上呈现各向异性，形成兼有部分晶体和液体性质的过渡状态，称为液晶态，而这种状态下的物质称为液晶。

电子显微镜下液晶分子的形态

2．液晶科学的发展

“液晶”被发现至今约一百年，但近二十多年来才获得了迅速的发展，这是因为液晶材料的光电效应被发现，因而被广泛地应用在需低电压和轻薄短小的显示组件上，因此它一跃成为一热门的科学研究及应用的主题。目前己被广泛使用于电子表，电子计算器和计算机显示屏幕上，液晶逐渐成为显示工业上不可或缺的重要材料。

1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇笨甲酸酯结晶的实验时发现，在145.5℃时，结晶熔解成为混浊粘稠的液体，当继续加热到178.5℃时，则形成了透明的液体。这是人们对液晶认识的开始。第二年德国的物理学家莱曼发现，上述145.5℃～178.5℃之间的粘稠混浊液体在用偏光显微镜进行观察时，它具有双折射现象。于是莱曼把这种具有光学各向异性、流动性的液体称之为液晶。

近十多年来液晶科学获得了许多重要的发展，研究领域遍及物理，化学，电子学，生物学各个学科，如：

液晶光学----研究亚军的光学性质，非线形光学性质，光的偏振，圆偏光二相色性，旋光性，液晶光电效应，光阀，激光信息传输等；

分子物理学----研究液晶的相转变理论，液晶电流体效应，液晶的介电，介磁，压电，超声等效应；

液晶化学----研究液晶分子的结构和性质的关系，新型液晶材料的合成，表面取向剂的结构和功能，高分子液晶及其应用，液晶色谱学，液晶热谱学，液晶光谱学，表面化学，定向化学反应，燃料化工，液晶态分离膜，润滑化学以及宾

主效应中染料分子的结构等；

生物液晶----研究生命过程（新陈代谢，发育），组织，疾病，衰老过程中液晶态变化；生物膜结构和功能，生物体能量，信息传递过程，光合作用等与液晶结构和行为之间的关系。

3．液晶的分类和性质

形成液晶的物质通常具有刚性分子结构，分子呈棒状，同时还具有在液态下维持分子的某种有序排列所必须的结构因素。这种结构特征常与分子中含对位苯撑、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系。如4,4’-二甲氧基氧化偶氮苯：

分子上两极性基团间相互作用有利于形成线性结构，从而有利于液晶有序态结构的稳定。由固态到液晶态和液晶态到液态的过程都是热力学一级转变过程。

根据形成的条件和组成，液晶大致可以分为两大类，即热致液晶和溶致液晶。热致液晶是指单成分的纯化合物或均匀混合物在温度变化下出现的液晶相。典型的长棒状有机化合物热致液晶的分子量一般在200-500g/mol左右，分子的轴比（长宽比）约在4-8之间。实验室里最常用的热致液晶有氧化偶氮茴香醚[PPA，para-azoxyanisole,CH3O(C6H4)N2O(C6H4)OCH3]和对甲氧基苄叉对氨基丁苯[MBBA，N-（p-methoxybenzylidence）-p’-n-butylaniline,CH3O(C6H4)CHN(C6H4)C4H9].前者的熔点和清亮点分别为118.2℃和135.5℃，后者是21℃和48℃。

溶致液晶是两种或者两种以上组分形成的液晶，其中一种是水或其它的极性溶剂。在一定浓度溶液出现液晶相。溶致液晶中的溶质在温度变化下常常是不稳定的，因此可以忽略温度引起相变的问题。溶致液晶中的长棒溶质分子一般要比构成热致液晶的长棒状溶质分子大得多，分子的轴比约在15左右，最常见的溶致液晶有肥皂水，洗衣粉溶液和表面活化剂等。溶致液晶中引起长程有序的主要是溶质与溶剂之间的相互作用，溶质也溶质之间的相互作用是次要的。溶致液晶在生物系统大量存在，生物膜就具有液晶特征。因此，溶致液晶的研究对生物物理学颇为重要。

如果从分子排列的有序性来区别液晶相，特别是对于热致液晶，那么可以分为三大类。向列型（或称丝状相），近晶型（或称层状相），胆甾型（或称螺旋相）。-

●向列型（nematic）液晶

由长径很大的棒状分子所组成，分子质心没有长程有序性。具有类似于普通液体的流动性，分子不排列成层，它能上下，左右，前后滑动，只在分子长轴方向上保持互相平行或近于平行。分子间短程相互作用微弱，属于Van der Waals引力。此类型液晶的粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍的使用于液晶电视、笔记本电脑以及各类型显示元件上。

●近晶型（smectic）液晶

由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但一般而言黏度很大。分子可以前后，左右滑动，不能在上下层之间移动。由于其有黏度，印加电场的应答速度慢，比较少应用于显示器上，多用于光记忆材料的发展上。

●胆甾型（cholesteric）液晶

此类型液晶是由多层向列型液晶堆积所形成，扁平的长形分子靠端基相互作用彼此平行排列为层状结构，长轴在平面内。相邻层间分子长轴取向由于伸出面