液晶的性质和应用.PDF

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T 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T 时， 1 2 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T 和T 温度之间所形成的混浊液体具有明显的 1 2 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T 和T 温度 1 2 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