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软物质科普：液晶的分类与应用

花匠小妙招
2024-11-10 20:25

液晶是一种介于晶体和液体之间的中间相，液晶态中分子的排列，既不同于晶体完全有序，也不同于液体完全无序，而是处于长程取向有序的流体。1888年，奥地利植物学家F. Reinitzer观察到胆甾醇在加热过程中会先变成浑浊液体，继续加热后又成为透明液体。德国物理学家O. Lehmann共同研究了这一现象，发现这种介于两个熔点之间的液态物质在偏光显微镜下存在同晶体相似的光学性质，基于此物质同时具备“液”体和“晶”体性质，并将其命名为“液晶”。

图1. F. Reinitzer与O. Lehmann为液晶的发现者

液晶不是某些特殊物质才有的物质相 ,而是很多物质(从小的有机分子到高分子聚合物)都呈现相同的液晶相。按照生成条件的不同，可分为热致(Thermotropic)液晶和溶致（Lyotropic)液晶两大类。其中组分单一，只存在某一温度范围内，随温度改变发生相变的为热致液晶，目前，已经有数千种有机物合成的液晶被人类发现。溶致液晶为某些化合物溶于水或者有机溶剂产生的液晶相，该类液晶广泛存在于我们的生活和生命体系中，例如洗衣服的肥皂泡和我们体内的细胞膜都属于溶致液晶。液晶在我们的生活中无处不在，而寻找这些看似差别很大的系统背后行为的相似性正是液晶研究的魅力所在。

图2. 向列相(nematic)、近晶相(smectic A and smectic C)和胆甾相(cholesteric)的分子排列示意图

热致液晶按照分子排列方式和秩序的不同，可分为向列相(nematic)、胆甾相(cholesteric)和近晶相(smectic)等数十种类，其部分分子排列方式如图2所示，向列相的分子长轴沿着某一方向平行取向，但分子质心位置是无序的。近晶相分子呈层状排列，根据层内分子取向和秩序不同又可分为近晶相A、B、C等。胆甾相是一种具有螺旋畸变的向列相，其分子长轴取向垂直层面逐层依次旋转，整体呈螺旋状。由于液晶双折射特性，在偏光显微镜下不同的分子排列会表现出独特的光学织构，根据织构的特点可以对液晶进行分类。图3列举了一些具有美丽织构的液晶照片。

图3. 美丽的液晶光学织构

液晶材料在我们生活中有着广泛的应用，各类电子终端都会用到液晶显示屏，自1968年第一块液晶显示屏诞生至今，液晶材料已经走进千家万户成为我们日常生活必不可少的一部分。一块液晶显示屏主要由LED背光源、偏振片、TFT薄膜晶体管、RGB彩色滤光片和液晶盒组成。液晶本身不发光，但在电场作用下分子取向会沿电场方向扭曲，通过改变电压而改变液晶的双折射性质和旋光状态，可以调控通过液晶盒的光强，再经过RGB彩色滤光片最终组成我们看到的彩色图像。

图4.液晶显示屏在Twisted nematic (TN)模式下的工作原理

参考资料：

1．https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_crystal

2．液晶织构图片https://www.ilcsoc.org/art-contest/gallery/

3．液晶显示屏的工作原理https://zhuanlan.zhihu.com/p/30201452

4．https://www.bilibili.com/video/av25478200/?spm_id_from=333.788.videocard.2

本文作者为华南软物质科学与技术高等研究院19级博士生周俊琛，指导老师为博士生导师Satoshi Aya（谢晓晨）。

Satoshi Aya（谢晓晨）课题组研究方向集中在液晶、高分子、胶体等软物质的基础物理，有序调控以及功能应用开发等方面。特别是在液晶态物理和表面物理、粘弹性物理、光学实验物理、界面细微构造表征和构造体能量理论计算等方面、以及胶体颗粒和拓扑缺陷的人工设计、制备、表征研究等领域积累了丰富的经验。作为项目主持人承担日本学术振兴会(JSPS)的各类科研项目2项、以及日本理化学研究所青年项目2项。研究成果发表在Physical Review Letters、Advanced Materials、Advanced Materials Interfaces、Journal of the American Chemical Society、Applied Physics Letters、Journal of Materials Chemistry C、Langmuir等国际知名刊物上，SCI期刊论文27篇，包括通讯作者/一作文章14篇。并申请日本专利2项，美国专利1项。

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