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氧化石墨烯液晶的形成原理与应用概述

一、液晶简述

所谓液晶，是一类同时具有液体的流动性和晶体的有序结构的物质。一般的

溶液是各向同性的，就像一杯泡好的奇亚籽，圆圆的球均匀分散在水中，各个角

度看上去都一样。而液晶有一定有序排列，就像是大海中的沙丁鱼群，有一定有

序排列，某些角度看上去鱼肚子，某些角度看到的是鱼头，呈现各向异性。当一

束光照射到液晶表面，会分解为两束光而沿不同方向折射的现象，该现象在正交

偏光显微镜下，可以观察到包括消光点或者其他形式的消光结构乃至颜色的差异

等。液晶设备呈现出来的图案、色彩的变化都是由于这些有序结构发生了变化。

二、氧化石墨烯液晶形成条件和类型

对于一个球形分子来说，只要均匀稳定分散在水中，就一定是各向同性的。

但是一旦这个球形分子的一个或者两个维度拉长，出现明显的长宽比或者宽厚比，

分散均匀以后就很容易出现各向异性。单层氧化石墨烯的横向尺寸在微米级别，

而厚度仅仅为一个纳米左右，宽厚比极大，同时表面具有丰富的含氧官能团，例

如羟基、环氧、羰基、羧基等，使得片与片之间具有强烈的静电斥力、与溶剂之

间存在氢键等，这些作用力促使单层氧化石墨烯片层有序排列。

【向列型液晶】分散液浓度比较低时，单层氧化石墨烯片层沿着长轴方向排

列（如图1的左图所示）。

【胆甾型液晶】浓度升后，单层氧化石墨烯片在一定的平面内有序排列，垂

直于这个平面上，每一层都会旋转一个角度，层层累加而形成螺旋面结构（如图

1的右图所示）。

图1单层氧化石墨烯液晶形态。向列型（左）和胆甾型（右）

三、偏振光原理

液晶的这种微观有序结构一般难以通过肉眼直接观察到，需要借助偏光显微

镜，其原理如下。偏振片只允许振动方向与偏振片的偏振化方向平行的光透过。

如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，光经过第一张偏振片后的振动方向与

第二张偏振片垂直，光的传播路径被阻断，透射光的强度最弱，几乎为零，也就

会看起来成黑色。如图2所示。

图2偏振光原理

四、双折射现象

当在两张偏振片中间放置单层氧化石墨烯液晶后，光经过第一张偏振片以后

照射在单层氧化石墨烯液晶上，产生两束折射光，称为寻常光和成为非寻常光，

正如图3所示。再经过体系当中其他单层氧化石墨烯晶区的多次折射改变方向，

最终部分光的振动方向与第二张偏正片的偏振化方向一致，即可透过，看起来也

就不再是黑色的。

图3双折射现象（图片来源于网络）

五、单层氧化石墨烯液晶的产生

以白光为光源，低浓度下，单层氧化石墨烯分散液呈现向列型液晶，所有波

长光都发生折射，然后折射光发生干涉，产生一系列明暗条纹，出现暗灰、灰白

的颜色。当浓度升高时，向列型液晶转变为胆甾型液晶。此时若所呈现的螺距与

与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射或者反射，改变这一波长光

的传播方向，最后通过第二张偏振片后也就呈现这一波长光的色彩，从而观察到

黄橙、紫红甚至蓝、绿等颜色。

图4不同颜色液晶现象图

当分散液受到扰动时，单层氧化石墨烯片层的有序排列受到干扰，液晶结构

被破坏，看到的图案也就发生了变化。扰动停止以后，单层氧化石墨烯片层慢慢

从无序状态向有序结构过渡，开始观察到亮点，这些亮点可以看做是有序结构的

成核点。随着时间的推移，有序区域慢慢扩大，亮点区域随之扩大，观察到的图

案也就从图5的左图过渡到右图，直至稳定。

图5扰动停止后，单层氧化石墨烯液晶演变过程

六、影响氧化石墨烯液晶形成方面

（1）尺寸分布氧化石墨烯液晶的取向熵与排除体积熵之间存在竞争关系，

使得氧化石墨烯的尺寸及其分布成为影响氧化石墨烯液晶相结构的关键因素；

（2）氧化程度氧化程度高的氧化石墨烯表面上含有大量的含氧官能团，

促进了氧化石墨烯片的自组装排列，并且氧化石墨烯之间的二次相互作用增强，

降低了氧化石墨烯分散体从各向同性相向双相转变、以及再向向列相转变的临界

浓度，促进了氧化石墨烯液晶的形成；

（3）浓度各向异性粒子的胶体在较低浓度下表现出各向同性相，但是随

着粒子浓度的增加而转变成具有各向同性相和向列相的双相混合物，最终在超过

临界浓度后完全演变为纯向列相（图6、图7（A）、（B））；

图6随着浓度的增加，氧化石墨烯分散的各向同性