专题四: 液 晶

    通常认为物质有三态：气态、液态和固态，但有一些有机化合物可以在一定范围内取非液、非固的中间态。这些有机化合物的分子质心作无规则排列，没有完全的周期性，并不具备晶体结构的特征，但是分子的取向具有明显的各向异性，能产生晶体所特有的光的双折射现象；同时，它们又具有液体特有的流动性和一定的粘度。这种非晶、非液态的物质称为液晶。液晶态是物质的又一种形态。

一、液晶的发现

    1888 年，奥地利植物学家莱尼兹尔（ F. Reinitzer ）在研究胆甾醇类在植物中的生物作用时观察到一种奇怪的现象：把胆甾醇苯甲酸酯（，简称 CB ）晶体加热到 145.5℃，晶体熔融成乳稠混浊的液体；继续加热到178.5℃时，这种混浊液突然变得清亮透明。这是人类首次观察到的液晶相，该温度称为清亮点。再由此状态冷却，液体会发生从紫色、橙色到绿色的颜色变化。开始，莱尼兹尔以为这是由于所用晶体含有杂质引起的，但经多次提纯，实验现象仍然不变，而且由浑浊到清亮的过程是可逆的。后来，经德国物理学家雷曼（ O. Lehmann）

的系统研究，发现许多有机化合物都可以在熔点以上、清亮点以下出现混浊的中介相。

    雷曼指出，处于中介相的这此物质，春力学性质与通常的液体相似，具有流动性和粘滞性；而其光学、电学性质（如折射率、介电常数、磁化率、扩散系数等）却呈现各向异性，与晶体相似。这种中介相称为液晶相，可以出现液晶相的物质 统称为液晶．

    从首次发现液晶到现在，一百多年来巳发现液晶化合物几千种，但直到近30年来才取得突破件研究进展，并在光电显示器件上获得广泛的应用。与此同时，在基础理论研究方面也取得令人瞩目的成就，许多有名的凝聚态物理学家参与了这项工作，液晶物理学已成为凝聚态物理的一个引人入胜的新分支。

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二、液晶的结构与分类

1．向列相液晶

    向列相液晶又叫丝状液晶 这类液晶分子的长宽之比大于4，棒状分子的质心位置完全无序，但分子倾向于沿 特定的方向排列，并不排列成层，见图1．向列相液晶分子的排列方向，以用棒状分子的平均指向矢M表示。实验表明M相当于晶体的光轴方向 由于向列相液晶分子间的短程作用比较弱，排列和运动比较自由，所以它能上下、前后、左右滑动。向列相液晶的主要特点是对外界作用相当敏感。在高于某一临界温度以后，向列相液晶就变成通常的液相。向列相液品具有单轴晶体的光学性质，同前它是显示器件的主要材料。

2．胆甾相液晶甾是化合物的一种，广泛存在于植物体内。胆固醇和许多源程序素都属于甾类化合物。

     在胆甾相液晶中．分子呈扁平状层状排列，见图 2(b)。虽然胆甾相液晶每一层分子的排列很像向列利液晶，但相邻层上分子的指向矢却有微小的扭角(大约为1／4度)。由于多层分子的长轴指向矢的扭转使胆甾相液晶分子的排列逐渐形成螺纹状，当分子长轴指列方向的转过360度时，最外两端的分了层之间相隔的距离，即其螺旋对称的空间周期为L（也称为螺距），L约为 10²nm的数量级。通常L会随温度的改变而改变，如果L正好与某种光波的波长相等，就会显示出该种光波的色彩。这可以有许多用途，包括人体温度计。 胆甾相液晶的分子长轴平行干层面，而其光轴垂直于分子层面。

3．近晶相液晶

    近晶相液晶分子也排列成层，层内分子长轴互相平行，其方向垂直于层面，或与层面呈倾斜排列，层的厚度等于分子的长度，各层之间的距离可以变动。近晶相液晶分子可以在层内前后左右滑动，但不能在上下层内移动。出于分子排列整齐，有点类似晶体，故称近晶相。近晶相液晶分子质心在层内无序，可以自由移平，所以有流动性，但粘度较大，见图 2（c）。

    应该说，热致液晶的这三种亚类 (或三种结构)只是液晶的三个不同的相。一般说来，同一种液晶材料在不向温度下可处于不同的相。随着温度的变化，液晶各相态之间可以发生相变。例如，胆甾醇壬酸酯晶体在78℃时发作相变成为近晶相液晶，79℃时变成胆甾相液晶，90.5℃时变为各向同性的液体。所以，在应用液晶时必须注意环境温度，避免局部光照与辐射，以免液晶发生相变。

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三、液晶的光学、电学性质

    由于液晶具有特殊的分子排列结构。它在平行于分子长轴方向上和垂直于分子长轴方向上的物理常数(如折射率、电容率、磁化率、电导率等)各不相同，因此液晶是各向异性的材料，这对液晶的光学性质具合重要的影响。液晶除了具有双折射、旋光性等光学特性外，还表现比一些特殊的电学、光学性能。

1．液晶的光学性质随温度变化

    对于向列相液晶，反映折时率各向异性的 随温度变化，一般说来，温度越高，Δn越小；当温度高于向列相液晶转变为液相的转变温度时，Δn=0。

由于光线 和 同在胆甾相液晶中，可以认为 ，则光程差：

当Δ = kλ ( k =1, 2, …)时，得到最大反射强度，对比的波长

    与反射角θ和螺距 L有关。所以当把胆甾相液晶夹在两片玻璃之间并放在黑纸上时，在白 光下观察液晶面上的反射光，θ大时呈蓝色，θ小时呈橙红色。由于螺距 L随温度变化，所以在不同温度下胆甾相的液晶的颜色也会发生变化。这种在不同温度下对不同波长的光具有选择反射的特性可用于测量温度，其测温精度可达0.5℃，现已用来对电子元件或电动机等进行测温检查或任医学上用于探查肿瘤的部位。

2．光生伏特效应

    把液晶夹在两块透明电极之间，透明电极可以用涂在玻璃板上的透明导电膜(如二氧化锡)构成。当有光照射时，在两极间会产生电动势，是—种光生伏特效应。若光强较小，则光小生电动势的大小与光强成正比，这种光生电动势的响应时间极短，可用作光敏传感器。

3．电光效应

    液晶除了具有双折射、旋光性等光学特性外，还有电光效应和磁光效应，其中电光效应指在电场中液晶分子的指向会重新排列，因而可用来控制或用来反映光线的通断。

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四、液晶的应用

1．液晶显示（LCD)

    液晶在工程技术上的应用极广，主要用作平板显示。计算器、数字式手表中的数字显示是液晶平板显示的第一代应用。液晶在电子翻译机、游戏机、液晶电视中的应用属于液晶显示的第二代应用。目前液晶的应用已进入第三代，用于笔记本电脑、便携式彩电、高分辨率大屏幕显示器等高科技领域。

    液晶显示器的英文简写为LCD(liquid crystal display device)，它是可以把不可见的信号(电、磁、热等)转换为可见信号的器件。这种信号的转变是通过能使液晶分子排列发生变化的磁场、电场或温度场的变化而实现的。虽然液晶本身并不发光，但它可以实现光的阻断和导通，改变光的相速或传播速度，所以液晶显示是一种被动式显示器件。外界环境越明亮，显示效果就越好，这是LCD显示的特点。

    液晶显示具有许多优点，如驱动电压低 (小于5V)，容易与CMOS集成电路匹配；体积小、重量轻、消耗功耗小(仅为几个 )，可用电池或光电池作为电源，便于携带；结构简单易于制作、成本低、寿命长，并可彩色化等。但液晶显示也有其不足，如对信号的响府时间较慢，工作温度范围不够宽，与其它显示器比较，视角效应较明显等，这有待于今后近一步研究解决。

2．液晶热像技术

    液晶除了在显示器件方面的应用以外，在计量测试和光学仪器方面也具有很高的应用价值。例如，胆甾型液晶对湿度、压力、电场、磁场辐射等外部条件非常敏感，这就是液晶热像技术的物理基础。

    当外部条件(如温度、压力、电场、磁场等)变化时，胆甾型液晶分子的螺距也会发生变化。而螺距L是胆甾型液晶分子的一个非常重要的参数，它对胆甾型液晶所有的物理性质几乎都有影响、因此可以将胆甾型液晶制作成传感器件。液晶温度汁就是利用这一原理制成的最简单的测试仪器，它具有热容量小、反应速度快等优点，适用于医疗和日常生活等领域。

    此外，利用液晶热像技术还可以用作无损探伤(电子电路热点检测、裂缝或焊缝的探测)、辐射场的测量(红外、微波强度测定)、医疗热谱图(皮肤状态显示、血管疾病诊断、乳腺癌探测)等。

3．液晶与生物膜

    液晶还可能是打开生命之谜的钥匙。现代生物物理的研究表明，在正常生物条件下生物膜处于液晶态。另外，神经冲动的化导、脂肪的消化等生命现象也都与液晶有关。可以说，没有液晶就没有生命。如今，对生物膜的研究已与高温超导并列为凝聚态物理学的六大热点之一。

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