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用偏光显微镜研究液晶的相变及光学特性 武汉大学物理实验教学中心 周殿清 于国萍 一、液晶简介 液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。 于是德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。 2. 液晶的基本特性 液晶实际上是物质的一种形态，它是一种处于“完全有序的周期性结构”和“完全无规则结构”之间的介晶态，它具有长程有序和各向异性的特征。 液晶具有液体的一些特征—流动性、不能承受切变力、可形成液滴等。同时又具有晶体的某些特征—分子的取向有序性；光折射率、介电常数、电阻率、磁化率、粘滞系数、弹性系数均为各向异性。 液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。本实验采用的是热致液晶。 3.液晶的应用 液晶显示技术（高分辨、快速响应、彩显） 3.液晶的应用 液晶显示原理图 3. 液晶的应用 液晶光学元件：快门、光圈、透镜、偏振片、光存储器 液晶传感器：温度、电压、流速、加速度、压力传感器，大气污染监测 液晶热图象：医学、生物领域应用 液晶聚合物、新型功能材料（记忆元件、光学元件）；纺织、变色纤维；微胶囊技术、印刷油墨 二、热致液晶的结构和分类 热致液晶按分子排列状态可分为: 向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶 向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。 近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶 近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。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。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。 胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶 由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。 胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。 三、热致液晶相变 1. 互变相变（可逆相变） 2. 单变相变 四、液晶的光学特性 1. 液晶的各向异性 P型液晶 （Δε0） 正介电各向异性液晶 N型液晶（Δε0） 负介电各向异性液晶 2. 液晶的双折射 以P型为例，长轴为光轴 向列液晶有 ，所以Δn0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为： 由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性： 能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； 使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特性设计制造的。 五、本实验的内容与要求 偏光显微镜的调整与校正； 了解并观察液晶光学性质—双折射效应 测定单轴液晶的光轴取向和光性符号； 观察和研究液晶的相变过程。 本实验是一个两周内完成的综合实验，具体内容与要求请参阅教材；对液晶的相关性质及应用请查阅相关资料 实验仪器 实验仪器 * * 1.液晶的发现 向列相 近晶相 胆甾相 向列液晶在偏光显微镜 下的图象 隧道显微镜下的近晶相层状液晶 胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。 液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。 液晶长轴ε∥ 液晶短轴ε⊥ *