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君子忧道不忧贫。——孔丘

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）

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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

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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