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[交流] 神奇的液晶

神奇的液晶
[B]神奇的液晶[/B]

衡水师范专科学校物理系衡水

液晶，这是一个人们并不陌生的名词。在日常生活中，我们到处都会碰到它，如液晶手表、BP机、数字式仪表的液晶显示屏以及液晶电视机等。但是若问什么是液晶？液晶为什么有显示功能？则不少人又无言可答了。

[B]液晶的发现[/B]

早在1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在加热熔解胆甾醇脂过程中发现，这种有机化合物结晶体随着温度的变化会出现一种神奇的现象：当加热到145.5℃时，结晶体溶解成混浊粘稠的液体；当继续加热到178.5℃时，则又变成了透明的液体。当时，莱尼茨尔就明确认为该有机物有两个溶点。翌年，德国物理学家莱曼对上述145.5℃ — 178.5℃的混浊粘稠的液体用偏光显微镜进行观察，发现它具有光的双折射现象，即如同晶体一样具有光学各向异性。于是，对于这种似乎是流体的软晶体，或者是晶体结构的流体，莱曼称之为液晶。因此，人们公认为，液晶是由莱尼茨尔和莱曼两个人发现的。

[B]一种特殊的物态[/B]

众所周知，物态通常有三态：固态、液态和气态。而不同的物态（相），是由其分子在不同温度下具有不同有序度所决定的。

那么，液晶是一种什么样的物态？它的有序度又如何呢？

现在液晶科学家已经弄清楚，液晶多数是由具有分子长轴的棒状有机大分子所组成。以胆固醇（胆甾醇的俗称）为例，它在不同温度下处于不同物态时，分子排列的有序情况如图1所示。

固（晶）态时，分子排列具有两种有序度。分子的质心位置有序，即有固定位置；分子的长轴方向有序，即平行排列。

液晶态时，分子的质心位置有序已失去，（因分子可以自由流动）；而分子的长轴倾向于平行排列，即方向有序仍保存。如果用指向矢作为描述大量分子长轴平均取向的单位矢量，则液晶分子长轴大体沿指向矢方向。

液态时，分子排列的两种有序度全部丧失。不但分子质心无固定位置，而且分子长轴的排列也无一定的倾向。至于气态，分子则为无规则热运动了。

可见，液晶是一种特殊的物态，其分子排列的有序度介于固（晶）态与液态之间，故又叫介晶态或介晶相。

[B]三、液晶的类型[/B]

自从液晶被发现后，许多科学家致力于液晶化合物的制取和其结构的研究。到1920年，仅德国液晶科学家沃兰德一人就合成了液晶化合物250种以上；到目前为止，人们已知道的各种液晶化合物已达到三千余种。科学家借助偏光显微镜和加热台，对各种液晶化合物进行观察，发现液晶的结构按其分子的排列方式主要有三种基本类型，亦即液晶相还可分为三个亚相。

层状相又称近晶相（S相）

在较低温度端，分子分层排列，每层分子长轴大体沿指向矢方向相互平行；分子只能在本层中活动，而不能处于层与层之间，如图2所示：

螺旋状相又称胆甾相（Ch相）

若加热近晶相，在某个亚相变温度下，分子的分层性破坏。但分子会沿着某个方向螺旋排列，即在垂直于螺旋的每个平面内，分子都相互平行于该平面的指向矢。且沿螺旋轴平移，指向矢作均匀转动，如图3所示：

3、丝状相又称向列相（N相）

若继续加热，螺旋结构被破坏，整个空间分子倾向于平行指向矢的方向，其分子除了可以转动和前后左右滑动外，还可以上下滑动，如图4所示：

以上液晶都是由晶体加热而形成的，故叫热致液晶。另外，科学家还发现，在一些物质中添加溶剂也可形成液晶，称之为溶致液晶。例如，肥皂的浓溶液所形成的近晶相液晶。

[B]四、液晶的电光效应[/B]

液晶既有其物理性质，又有其化学性质，还有其生物学性质。在物理性质方面以电光效应最为突出，应用也最早、最广泛。

通过研究知道，液晶分子有两个显著的物理特征：

1、液晶分子多呈长棒形，有分子长轴，而分子长轴是其光轴，故液晶具有光学各向异性，其透光性与分子的排列取向有关。

2、在电场的作用下，液晶分子会产生感生电偶极矩，而该偶极矩又可在电场力矩的作用下发生转动，从而可改变分子的排列取向。

正因如此，所以通过调控电场的变化便可改变液晶分子的排列，产生电光效应。

当液晶分子规则排列时，液晶具有光学单轴性。若入射光沿光轴传播，则会无折射的透射；若入射光前进方向偏离光轴，则入射的偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射；若对液晶施加电场使其分子排列取向改变，则按照一定偏振方向入射的光，将在液晶中发生电控双折射现象。

当液晶分子为扭曲排列时，则液晶会使入射光的偏光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转，液晶呈旋光性。

当液晶在电场的作用下出现不稳定状态或湍流时，则会产生光的动态散射现象，透明的液晶将变得混浊而不透光。

总之，由于液晶的光轴（指向矢）随电场的大小而偏转，所以液晶的透光度将随电场的变化而变化，因而造成液晶透光或不透光。利用这种电光效应调制环境光，便可实现亮态与暗态的显示。在技术领域中，液晶材料的这种显示功能，已得到广泛地应用，如制造各种数字、文字甚至图象的显示器件等。[/

[ Last edited by daiqiguang on 2007-5-9 at 09:08 ]

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