液晶
歷史
1850年,普魯士醫(yī)生魯?shù)婪颉し茽柦B等人發(fā)現(xiàn)神經(jīng)纖維的萃取物中含有一種不尋常的物質(zhì)。1877年,德國物理學(xué)家奧托·雷曼運用偏光顯微鏡首次觀察到了液晶化的現(xiàn)象,但他對此現(xiàn)象的成因并不了解。
1888年3月14日,奧地利布拉格德國大學(xué)的植物生理學(xué)家弗里德里希·萊尼澤(Friedrich Reinitzer)借由在植物內(nèi)加熱苯甲酸膽固醇脂研究膽固醇,觀察到膽固醇苯甲酸酯在熱熔時的異常表現(xiàn)。該物質(zhì)在145.5℃時熔化,產(chǎn)生了帶有光彩的混濁物,溫度升到178.5℃后,光彩消失,液體透明。此澄清液體稍微冷卻,混濁又復(fù)出現(xiàn),瞬間呈現(xiàn)藍色。
萊尼澤反復(fù)確定他的發(fā)現(xiàn)后,向德國物理學(xué)家奧托·雷曼(Otto Lehmann)請教。當時雷曼建造了一座具有加熱功能的顯微鏡去探討液晶降溫結(jié)晶之過程,后來更加上了偏光鏡,成為深入研究萊尼澤的化合物的重要儀器。從那時開始,雷曼的精力完全集中在該類物質(zhì)。他開始以為這種物質(zhì)是軟晶體,然后改稱晶態(tài)流體,最后深信偏振光性質(zhì)為該物質(zhì)特有,流動晶體(Fliessende kristalle)的名字才算正確。此名稱與液晶(Flussige kristalle)已經(jīng)十分相近。萊尼澤和雷曼因此被譽為液晶之父。
由嘉德曼(L. gattermann)、利區(qū)克(A Ristschke)合成的氧偶氮醚,也是被雷曼鑒定為屬于液晶的一種。但在20世紀,有名的科學(xué)家如坦曼(G. tammann)都以為雷曼等的觀察,只是極微細晶體懸浮在液體形成膠體之現(xiàn)象。涅斯特(W. Nernst)則認為液晶只是化合物的互變異構(gòu)物之混合物。不過,化學(xué)家丹尼爾·福爾蘭德爾(D. Vorlander)的努力由聚集經(jīng)驗使他能預(yù)測哪一類的化合物最可能呈現(xiàn)液晶特性,然后合成取得該等化合物質(zhì),該理論于是被證明。
分類
向列型液晶(nematic)
層列型液晶(smectic)
膽固醇液晶(cholesteric)
碟型(discotic)
熱致液晶(thermotropic LC)
重現(xiàn)性液晶(reentrant LC)
1922年,法國人喬治斯·弗里德爾(Georges Friedel)仔細分析當時已知的液晶,把他們分為三類: 向列型 (nematic)、 層列型 (smectic)、 膽固醇型 (cholesteric)。名字的來源,前兩者分別取自希臘文線狀和清潔劑(肥皂);膽固醇型的名字有歷史意義,如以近代分類法,它們屬于手向列型。其實弗里德對液晶一詞不贊同,他認為“中間相”才是最合適的表達。
1970年代才發(fā)現(xiàn)的 碟型 (discotic) 液晶 ,是具有高對稱性原狀分子重疊組成之向列型或柱行系統(tǒng)。除了型態(tài)分類外,液晶因產(chǎn)生之條件(狀況)不同而被分為 熱致液晶 (thermotropic LC)和 溶致液晶 (lyotropic LC),分別由加熱、加入溶劑形成液晶的兩種產(chǎn)生情形。
溶致性液晶 生成的例子,是肥皂水。在高濃度時,肥皂分子呈層列性,層間是水分子。濃度稍低,組合又不同。
其實一種物質(zhì)可以具有多種液晶相。又有人發(fā)現(xiàn),把兩種液晶混合物加熱,得到等向性液體后再冷卻,可以觀察到次第為向列型、層列型液晶。這種相變化的物質(zhì),稱為重現(xiàn)性液晶(reentrant LC)。
分子結(jié)構(gòu)
穩(wěn)定液晶相是分子間的凡得瓦力。因分子集結(jié)密度高,斥力異向性影響較大,但吸引力則是維持高密度,使集體達到液晶狀態(tài)之力量,斥力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有極性基團時,偶極相互作用成為重要吸引力。
用途
液晶分子的排列,后果之一是呈現(xiàn)有選擇性的光散射。因排列可以受外力影響,液晶材料制造器件潛力很大。范圍于兩片玻璃基板(已發(fā)展出塑膠基板)之間的 手性向列型液晶 ,經(jīng)過一定手續(xù)處理,就可形成不同的紋理。
類固醇型液晶 ,因螺旋結(jié)構(gòu)而對光有選擇性反射,利用白光中的圓偏光,最簡單的是根據(jù)變色原理制成的溫度計(魚缸中常看到的溫度計)。在醫(yī)療上,皮膚癌和乳癌之偵測也可在可疑部位涂上類固醇液晶,然后與正常皮膚顯色比對(因為癌細胞代謝速度比一般細胞快,所以溫度會比一般細胞高些)。
電場與磁場對液晶有巨大的影響力, 向列型液晶相 的介電是各類光電應(yīng)用的基礎(chǔ)。用液晶材料制造以外加電場操作之顯示器,在1970年代以后發(fā)展很快。因為它們有小容積、微量耗電、低操作電壓、易設(shè)計多色面版等多項優(yōu)點。不過因為它們不是發(fā)光型顯示器,在暗處的清晰度、視角和環(huán)境溫度限制,都不理想。無論如何,電視和電腦的屏幕以液晶材質(zhì)制造,十分有利。大型屏幕在以往受制于高電壓的需求,變壓器的體積與重量不可言喻。其實,彩色投影電視系統(tǒng),亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、濾片、光電調(diào)整器。
參見
液晶顯示器
薄膜晶體管液晶顯示器
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