液晶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

關(guān)于液晶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第1頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五一、液晶的特征液晶態(tài)是一種介于液體與晶體之間的中間態(tài)，它既有液體的流動性，又有類似晶體結(jié)構(gòu)的有序性。這類物質(zhì)在力學(xué)性質(zhì)上象是液體，在光學(xué)性質(zhì)上又象是晶體，故稱為液態(tài)晶體，簡稱液晶。從微觀來看，液晶態(tài)是各種特定分子在溶劑中有序排列而形成的聚集態(tài)。具有液晶性質(zhì)的物質(zhì)，在芳香族、脂肪族、多環(huán)族和膽講醇衍生出來的有機化合物中都可以找到。并非所有物質(zhì)都能形成液晶態(tài)。第2頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五判斷某種物質(zhì)是否具有液晶性質(zhì)的三個條件

只有符合以下幾個基本條件的物質(zhì)，才有可能形成液晶態(tài)：1．分子鏈必須具有剛性或比較剛性的物質(zhì)，在溶液中，分子鏈呈棒狀或近乎棒狀的構(gòu)象；此外，有些平板狀分子也可形成液晶態(tài)。2．這種物質(zhì)的分子鏈上，必須具有苯環(huán)和氫鍵等極性基團。3．對于形成膽甾型液晶的分子，除了具備上述兩個條件外，還必須具有光學(xué)活性因素，如含有不對稱碳原子等，因而分子本身就具有較大的各向異性。第3頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五液晶物質(zhì)的宏觀表征和微觀表征液晶物質(zhì)的宏觀表征，既有類似液體的流動性和連續(xù)性；又有類似晶體的有序性。它們在光學(xué)、力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)上，具有明顯的各向異性，能顯現(xiàn)渾濁、雙折射、彩虹、旋光等一系列奇特的現(xiàn)象。從分子水平上來看，液晶物質(zhì)內(nèi)部分子的排列是有序的，但又是可以流動的。第4頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五二、液晶的形成根據(jù)形成方式，液晶物質(zhì)可分為兩類：1．熱致性液晶2.溶致性液晶第5頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五1．熱致性液晶熱致性液晶是加熱液晶物質(zhì)時，形成的各向異性熔體如前所述，萊尼茨爾首次發(fā)現(xiàn)的液晶物質(zhì)膽甾醇苯甲酸酯，就是一種熱致性液晶。這種液晶通常有兩個熔點。固體液晶液體加熱加熱冷卻冷卻第6頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五熱致性液晶的定義和特征把某種能形成液晶的固體加熱到第一熔點，這種物質(zhì)就轉(zhuǎn)變成為既有雙折射性,又有流動性的液晶態(tài)。肉眼看到的，是一種粘稠而渾濁的液體，其稠度隨不同的化合物而有所不同，從糊狀到自由流動的液體都有。從分子水平來看，溫度超過第一熔點時，物質(zhì)內(nèi)部的分子排列還是有序的，仍然具有晶體結(jié)構(gòu)的特征。但是，這時的分子又是能夠流動的，產(chǎn)生了和液體一樣的性質(zhì)。所以說，該種物質(zhì)此時處于液晶態(tài)。由于這種液晶態(tài)是靠加熱形成的，因而稱之為熱致性液晶。第7頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五從液晶態(tài)到液態(tài)的相變溫度繼續(xù)升高，加熱到第二熔點時，液晶態(tài)又轉(zhuǎn)變成各向同性的液體。所謂各向同性，就是說，不管從哪個方向測量這種液體，它的光學(xué)性質(zhì)（如折射率）都是相同的。從分子水平來看，溫度超過第二熔點時，物質(zhì)分子的取向是隨機的、亂七八糟的。此時，這種物質(zhì)僅有和液體一樣的流動性，而無任何有序性。所以說，這種物質(zhì)在加熱到第二熔點的溫度之后，就完成了從液晶態(tài)到液態(tài)的相變。第8頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五熱致性液晶的性質(zhì)如果冷卻這種液體，逆過程又可以倒轉(zhuǎn)回來。但是，有些液晶物質(zhì)在冷卻時會出現(xiàn)“過度冷卻”現(xiàn)象，從而形成一種不穩(wěn)定相。具有熱致性液晶行為的物質(zhì)，當(dāng)溫度低于第一熔點時，是固態(tài)；溫度在第一熔點和第二熔點之間，是液晶態(tài)，溫度高于第二熔點時，就會從液晶態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)。第9頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五2．溶致性液晶溶致性液晶是物質(zhì)溶解于某種溶劑中而形成的各向異性溶液。在生物體內(nèi)的液晶多屬此類。固體加水去水液晶加水去水液體第10頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五例子溶致性液晶的形成過程為便于理解，我們舉個例子。將一小把火柴很撒在臉盆的水面上，由于水面相對來說比較寬闊，這些火柴棍在水面上的分布是隨機的，東一根，西一根，到處飄浮，各處皆有，看起來是雜亂無章的，火柴棍就好比能形成液晶態(tài)的溶質(zhì)——棒狀剛性分子，水是一種溶劑。在均質(zhì)溶液中；溶質(zhì)分子在溶劑中的分布是隨機的、雜亂無章的，恰如我們在臉盆水面上看到的火柴棍那樣。但是，把同樣多的火柴棍放在一個茶杯里，由于水面窄，火柴棍多，這些火柴棍就不得不朝著某個方向擠在一起，比較有秩序地排列起來。溶致性液晶就是這樣形成的。當(dāng)然，實際情況比上述例子復(fù)雜得多，但可以據(jù)此來想象溶致性液晶的形成過程。第11頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五溶致性液晶的定義和特性隨著溶劑的減少，棒狀剛性分子就會象火柴棍那樣，朝著某個方向擠在一起，有秩序地排列起來，形成了一種有序而又能流動的液晶態(tài)。這種液晶態(tài)是在溶液中，由于溶劑的減少或溶質(zhì)的增多而形成的，所以叫做溶致性液晶。第12頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五臨界濃度從均質(zhì)溶液開始轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋匀芤旱臐舛?，就叫做臨界濃度。在臨界濃度之上，物質(zhì)開始形成溶致性液晶。分子鏈越長，臨界濃度就越低。但是，要在比臨界濃度更濃的溶液中，才能形成有序程度更高的液晶態(tài)。如果把溶劑完全去掉，僅僅剩下單一的溶質(zhì)分子，這時就從液晶態(tài)轉(zhuǎn)變成為固態(tài)。第13頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五三、液晶的結(jié)構(gòu)從微觀來看，按分子排列方式的不同，可以把液晶分為三種類型。

1．向列型液晶

2．近晶型液晶

3．膽甾型液晶第14頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五1．向列型液晶向列型液晶的分子排列模型：這種液晶分子的形狀象雪茄煙，分子的長軸近于平行，但不能排列成層。處于這種液晶態(tài)的分子，能上下、前后、左右移動，單個分子也能繞長軸旋轉(zhuǎn)。第15頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五向列型液晶最大的特點向列型液晶最大的特點是：在磁場、電場、表面力和機械力的影響下，分子排列一律傾向于同一方向。例如，在末經(jīng)處理的兩塊玻璃之間，涂上一薄層向列型液晶。這時，液晶薄層表面分子排列方向與玻璃面平行。如果用定向排列劑鉻酸處理玻璃片，然后在兩玻片之間夾一薄層向列型液晶。這時，液晶薄層內(nèi)部的分子雖然不直接與玻璃面接觸，但因受表面定向劑的影響，液晶分子的取向轉(zhuǎn)了90”，它們在與玻璃面垂直的方向上整齊地排列起來。向列型液晶在外因作用下，分子排列方向易趨于一致，這一特征在工業(yè)上有廣泛的用途，在生物液晶中也常常顯示出來。第16頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五2．近晶型液晶近晶型液晶的分子排列模型：這種液晶分子的形狀也象雪茄煙，分子長軸互相平行，且排列成層，層與層之間相互平行，分子排列比較整齊，近似于晶體的分子排列狀況。第17頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五近晶型液晶在這種液晶結(jié)構(gòu)中，通常分子只能在層內(nèi)前后左右移動，而不易在上下層之間越層移動。但是，單個分子也能繞其長軸旋轉(zhuǎn)。由于層內(nèi)分子之間有較大的約束力，這種液晶態(tài)對電磁場等外界干擾，不如向列型敏感。但是，層與層之間容易產(chǎn)生滑動。由于這類液晶的規(guī)整性接近了晶體的結(jié)構(gòu)，因而叫做近晶型液晶。第18頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五3．膽甾型液晶形成這種液晶態(tài)的棒狀分子分層排列。在每一層中，分子的排列是平行的，取向是一致的。但相鄰兩層分子的排列方向扭轉(zhuǎn)了一定的角度，因此多層分子鏈的排列方向逐層扭轉(zhuǎn)，而呈現(xiàn)螺旋形結(jié)構(gòu)。因這種結(jié)構(gòu)是膽甾族化合物液晶所共有的性質(zhì)，故名膽甾型液晶。第19頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五膽甾型液晶的特性膽甾型液晶的分子排列有周期性。當(dāng)分子的排列方向旋轉(zhuǎn)了360°C。，原來的取向時，即為一周期。在一周期中，分子鏈排列方向完全相同的兩層之間的距離，稱為膽甾型液晶的螺距，它是表征膽甾型液晶的一個十分重要的物理量。膽甾型液晶的螺距變化，通常隨溶液濃度的增加而減小，隨體系溫度的升高而增大。當(dāng)螺距增加到無限大時，膽甾型液晶就變成向列型液晶。因此，膽甾型液晶實際上可以看作是一種扭曲了的向列型液晶。第20頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五各類液晶的典型實例現(xiàn)將各類液晶的典型實例列于表中。從此表可以看到，液晶物質(zhì)的分子基本上是細長，1978年以后，用扁平的圓盤形或方形分子也合成了液晶，而且在分子末端或中心部位都有極性基團，或者是有極性的大分子團。總之，從分子結(jié)構(gòu)的級特點來分析，液晶必須在有分子間力和相互作用的條件下才能形成。第21頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五第22頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五液晶的幾種相變應(yīng)當(dāng)注意的是，液晶物質(zhì)可以形成不止一種類型的液晶。許多化合物既可形成熱致性液晶，也可形成溶致性液晶。有的液晶物質(zhì)，當(dāng)溫度達到第一熔點之后，先形成近晶型液晶；溫度繼續(xù)升高到接近第二熔點時，又可形成向列型液晶。下圖顯示出熱致性液晶發(fā)生相變的情況。第23頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五第24頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五溶致性液的相變生物液晶就其形成方式而言，都是溶致性液晶。但是，它們在不同的溫度下也可發(fā)生相變。這種相變對生命活動是至關(guān)重要的。例如，在夏天，昆蟲體內(nèi)許多器官、組織的結(jié)構(gòu)呈液晶態(tài)，使昆蟲的活動得以正常進行。在冬天，昆蟲體內(nèi)的這些結(jié)構(gòu)，發(fā)生了從液晶態(tài)到凝膠態(tài)的相變，也就是從液晶態(tài)到固態(tài)的相變。這樣，昆蟲就處于休眠狀態(tài)。第25頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五四、液晶的效應(yīng)液晶的獨特性質(zhì)就在于它對各種外界因素（如熱、電、磁、光、聲、應(yīng)力、化學(xué)氣體、輻射等）微小變化，都非常敏感。很小的外界能量，就能使它的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使其功能發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，液晶有許多奇妙的“效應(yīng)”。第26頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五1．溫度效應(yīng)膽甾型液晶具有引人注目的溫度效應(yīng)。它是條“變色龍”，能隨微小的溫度變化而顯示出不同的顏色。這是由于它的分子結(jié)構(gòu)呈螺旋狀排列，當(dāng)螺距與光的波長一致時，就產(chǎn)生強烈的選擇性反射。這樣一來，雖然入射光是包含有各種波長的可見光，反射光卻是有一定波長范圍的單色光。而且，膽甾型液晶的螺距對溫度十分敏感，這就使得它的顏色可以在幾度，甚至十分之幾度的溫度范圍內(nèi)劇烈地改變。液晶的這一特性，導(dǎo)致了許多重要的應(yīng)用。例如，金屬材料和零件的無損探傷，紅外像轉(zhuǎn)換，微電子學(xué)中熱點（短路處）的探測，致冷機的漏熱檢查以及在醫(yī)學(xué)上診斷疾病、探查腫瘤。第27頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五2．電光效應(yīng)液晶分子對電場的作用非常敏感，外電場的微小變化，就會引起液晶分子排列方式的改變，從而引起液晶光學(xué)性質(zhì)的改變。因此，在外電場作用下，從液晶反射出的光線，在強度、顏色和色調(diào)上都有所不同，這就是液晶的光電效應(yīng)。第28頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五液晶分子排列工程至今已發(fā)現(xiàn)液晶有15種以上的電光效應(yīng)。它們是按液晶分子最初的排列方式以及在外電場作用下改變后的排列方式來區(qū)分的。按各種要求，使液晶分子獲得各種排列方式的工作，叫做液晶分子排列工程。第29頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五電光效應(yīng)的應(yīng)用利用各種液晶的電光效應(yīng)，可以實現(xiàn)各種各樣的顯示。液晶顯示的電子表，就是利用電光效應(yīng)而實現(xiàn)的。液晶表的出現(xiàn)，導(dǎo)致了手表工業(yè)的一場革命。最近，利用液晶顯示技術(shù)，又制成了液晶電視機。它的出現(xiàn)，必將導(dǎo)致電視機工業(yè)的一場革命。第30頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五3．磁效應(yīng)液晶分子的排列對磁場也很敏感，在外磁場作用下，它的排列方式會發(fā)生急劇的改變。例如，當(dāng)磁場強度超過某個閾值時，向列型液晶可以變成膽甾型液晶，由此而引起液晶物質(zhì)在光學(xué)性質(zhì)上的改變。顯然，磁效應(yīng)在原理上與電光效應(yīng)類似。第31頁，共33頁，2022年，5月20日，6點39分，星期五4．光生優(yōu)特效應(yīng)在鍍有透明電極的兩塊玻璃板之間，夾有一層向列型