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液晶

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具结晶性的液体 - 液晶
具结晶性的液体 - 液晶

液晶,即液态晶体Liquid CrystalLC),是相态的一种,因为具有特殊的特性,20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。

人们熟悉的物质状态(又称相)为气、液、固,较为生疏的是等离子和液晶。液晶相由具有特殊形状分子组合时会产生,它们可以流动,又拥有结晶的光学性质。液晶的定义,现在已放宽而囊括了在某一温度范围可以实现液晶相,在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以为中心所构成的化合物。同时具有两种物质的液晶,是以分子间力量组合的,它们具有特殊的光学性质,又对电磁场敏感,极有实用价值。

历史

1850年,普鲁士医生鲁道夫·菲尔绍等人发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。1877年,德国物理学家奥托·雷曼运用偏光显微镜首次观察到了液晶化的现象,但他对此现象的成因并不了解。

1888年3月14日,奥地利布拉格德国大学的植物生理学家弗里德里希·莱尼泽(Friedrich Reinitzer)借由在植物内加热苯甲酸胆固醇脂研究胆固醇,观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时的异常表现。该物质在145.5℃时熔化,产生了带有光彩的混浊物,温度升到178.5℃后,光彩消失,液体透明。此澄清液体稍微冷却,混浊又复出现,瞬间呈现蓝色。

莱尼泽反复确定他的发现后,向德国物理学家奥托·雷曼(Otto Lehmann)请教。当时雷曼建造了一座具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶之过程,后来更加上了偏光镜,成为深入研究莱尼泽的化合物的重要仪器。从那时开始,雷曼的精力完全集中在该类物质。他开始以为这种物质是软晶体,然后改称晶态流体,最后深信偏振光性质为该物质特有,流动晶体(Fliessende kristalle)的名字才算正确。此名称与液晶(Flussige kristalle)已经十分相近。莱尼泽和雷曼因此被誉为液晶之父。

由嘉德曼(L. gattermann)、利区克(A Ristschke)合成的氧偶氮醚,也是被雷曼鉴定为属于液晶的一种。但在20世纪,有名的科学家如坦曼(G. tammann)都以为雷曼等的观察,只是极微细晶体悬浮在液体形成胶体之现象。涅斯特(W. Nernst)则认为液晶只是化合物的互变异构物之混合物。不过,化学家丹尼尔·福尔兰德尔(D. Vorlander)的努力由聚集经验使他能预测哪一类的化合物最可能呈现液晶特性,然后合成取得该等化合物质,该理论于是被证明。

分类

  • 向列型液晶(nematic)
  • 层列型液晶(smectic)
  • 胆固醇液晶(cholesteric)
  • 碟型(discotic)
  • 热致液晶(thermotropic LC)
  • 重现性液晶(reentrant LC)

1922年,法国人乔治斯·弗里德尔(Georges Friedel)仔细分析当时已知的液晶,把他们分为三类:向列型(nematic)、层列型(smectic)、胆固醇型(cholesteric)。名字的来源,前两者分别取自希腊文线状和清洁剂(肥皂);胆固醇型的名字有历史意义,如以近代分类法,它们属于手向列型。其实弗里德对液晶一词不赞同,他认为“中间相”才是最合适的表达。

1970年代才发现的碟型(discotic)液晶,是具有高对称性原状分子重叠组成之向列型或柱行系统。除了型态分类外,液晶因产生之条件(状况)不同而被分为热致液晶(thermotropic LC)和溶致液晶(lyotropic LC),分别由加热、加入溶剂形成液晶的两种产生情形。

溶致性液晶生成的例子,是肥皂水。在高浓度时,肥皂分子呈层列性,层间是水分子。浓度稍低,组合又不同。

其实一种物质可以具有多种液晶相。又有人发现,把两种液晶混合物加热,得到等向性液体后再冷却,可以观察到次第为向列型、层列型液晶。这种相变化的物质,称为重现性液晶(reentrant LC)。

分子结构

稳定液晶相是分子间的凡得瓦力。因分子集结密度高,斥力异向性影响较大,但吸引力则是维持高密度,使集体达到液晶状态之力量,斥力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有极性基团时,偶极相互作用成为重要吸引力。

用途

液晶分子的排列,后果之一是呈现有选择性的光散射。因排列可以受外力影响,液晶材料制造器件潜力很大。范围于两片玻璃基板(已发展出塑胶基板)之间的手性向列型液晶,经过一定手续处理,就可形成不同的纹理。

类固醇型液晶,因螺旋结构而对光有选择性反射,利用白光中的圆偏光,最简单的是根据变色原理制成的温度计(鱼缸中常看到的温度计)。在医疗上,皮肤癌乳癌之侦测也可在可疑部位涂上类固醇液晶,然后与正常皮肤显色比对(因为癌细胞代谢速度比一般细胞快,所以温度会比一般细胞高些)。

电场与磁场对液晶有巨大的影响力,向列型液晶相的介电性行为是各类光电应用的基础。用液晶材料制造以外加电场操作之显示器,在1970年代以后发展很快。因为它们有小容积、微量耗电、低操作电压、易设计多色面版等多项优点。不过因为它们不是发光型显示器,在暗处的清晰度、视角和环境温度限制,都不理想。无论如何,电视和电脑的屏幕以液晶材质制造,十分有利。大型屏幕在以往受制于高电压的需求,变压器的体积与重量不可言喻。其实,彩色投影电视系统,亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、滤片、光电调整器。

参见

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液晶
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