溶致液晶及其显微织构.pdf

第 3 0 卷第3期 清华 大 学学 报 自 然科 学版 J OURNAL OF TS I NGHUA UNI VERS I T Vo 1 3 0 No 3 I 9 90 溶致液晶及其显微织构 化 学 系徐 寿 颐 摘要 溶致 液 晶是液 晶的重 要组 成 部分 通过 实 验 详细 地 研 究和讨 论 了目前 济致 液 晶体 系中存在的主要的液晶相 h M NL N C h r 及 五 及其特征 的显微 结构 关 键 词 济致 液 晶 显微 织 掏 近晶 相 向列 相 胆 甾相 0 引 言 溶致 液晶 1 y o L r o p i c l i q u i d c r ys L a D 的研究 已经越 来越 广泛地 引起 了 人 们 的 兴趣 这是 因为 它能 有效 地揭示 生命过 程 中某些变化 例如 新陈代谢 发育等 同时 生命体能量 信 息传递过程 光台作用等也与 液晶的结 构和行为有关 1 i1 溶致 液 晶一般 是 由双 亲化合物 与溶 剂所 组成 的体 系 这 里所用 的溶 剂大 多 数 为 水 或重水 也可 以是有 机溶剂 双亲 分子 含有疏水基 团和亲水基 团 因而溶 致液晶一 般可 以形成层状 相和六方相等 其 形状 如图 1所示 水 1 水 j 层 状相 图i 济致 液 晶的结 构示 意 图 六 方 相 在低 聚集 a gg r e ga t i o n 数下 胶 团 mi c e l l e s 近似球 形 随聚集数增加 胶 团变成椭球形状 最鸯变成棒状或碟状 一般地说 当加入电解质时 要增加离子型表 面活性剂胶 团的大小 而 加入长链的醇 时 一 般为正癸醇 其 作用与加入盐 时相 反 但 可 以得到较 大的胶 团 此 外 醇还可 以与胶 团相结合 形成馄台 胶团 车 文予I 9 8 9 年 i 0 月 2 6 It 收 到 l 0 工 工 维普资讯 6 2 清 华 太 学 报 第 3 0卷 这些添加荆 影响 了液 晶态 的形成 盐对离 子型表面 活性 剂有 很强 的作用 它提高 了 向列相的稳定性 例如 在氯化癸基铵 r DAC I 和水的体系中 由于 NH C 1的存 在 向列相 的范 围变得 很宽 I DAC NH4 C H O 的质量分数为0 4 5 0 0 5 5 相变过程 为 固体1 4 变 为层状 向列 相 2 2 变为粘滞各 向同性 相 3 2 变为六 方相 7 0 变 为各向同 性 相 2 DACI NH C H 0 的质量 分数 为 O 4 3 5 0 0 4 3 0 5 2 2相变过 程为 层 状相 3 5 变 为层状 向列相 5 5 变为各向 同性相 其 中 胶 团形状 是碟形的 有 时也称 为碟 状向列 相 正 癸醇对十六烷基 三 甲基溴化铵 CTAB 和水体系 中 相和层状 近 晶 相 用 5 表 示 的形成 是一个很重要 的添加 物 圈 2为 CTAB i E癸醇 Na Br H 0 的 四 元 体系 的相图 由图可见 当 n i n C T 的 比小于 0 2 5左右 时 体 系 中只存在 v 相 当该 比例增 大时 体系 中存在着 和 S 相 当此 比例进一 步 增 大时 相 消失 体 系 中只存在S 相 C T A B i E n N B H 2 O 为 3 1 7 3 1 5 9 1 0 0 图 2 CT AB i E婺醇 Na B r H 0 四元体 系 的相 用 图 中 表示各 向同性相 C 表示结 晶 2 表示两相区 由上述可见 为了研 究溶致液晶 的相 图和相变 化 可 以加入 盐和其它添加剂 使体 系发 生某些 变化 从而得 到新 的相或某种稳定 的相 以研 究人们感兴趣 的 物 理 化 学 特 性 在溶 致渡晶研究 中 相的识别是非常重要的 其 中最简单 的方法 就是使用偏光显 微 镜 来研究 各种 相的特征 显微 织构 维普资讯 第 3期 徐寿颐 溶致液晶殛其显微织构 1 实 验 实验 中所用 的化 学药品有 十六烷 基三 甲基溴化铵 由 K Ra dl e y 提 供t癸基氯 化铵 按参考文 献 6 中的方法制备 十 酸 钾 KL 由O Me l ni k 提 供 BS Br u c i n e S ul f a t e 由 O Me l n i k 提供 重水 氧元素 中 H 的原子分 数为 9 9 8 购于 AI d r i c h Ch e mi c a l Co imp a n y 正癸醇 9 9 购于 AI d r i c h Ch e mi c a l Co rn p a n y 毛细管壁 o 3 mi D 厚 购 于 Vi t r o Dyn a mi c s 实 验中所用的为带有 Me r r i e r FP 加 热 台的 Le i t z 偏光显 微 镜 样品制备 精确称量备组分并与搅拌磁子一起密封在安瓿瓶 中 在水浴中 有时需 加热 搅拌一 星期 以上 以得到均匀 的体系 然 后 用注射针筒将 搅拌 均匀的样品慢慢 地注入壁 厚为 0 3 mm 的扁平毛细管 中 毛细 管的一端 已经 封死 用紫外 固化胶 封 死 另一 端 在紫 外灯 下固化几分钟 就得到实验所需 的样 品 遮 样制得 的样 品可 以防止 水分从样品中挥发 在几周甚至数月内 样品浓度不会变化 保证了测量的准确性 2 结果 和讨论 2 1 近 晶相 的显 微织构 近 晶相 s iD e c t i c 随着其胶 团结构 的不 同可 以分层状近 晶相和六 方相 分别用 S 和 肘 米表 示 其特征显 微织构是大不相 同的 图 3是CTAB 癸醇 O 体 系 的相 图 I C T A B 正癸醇 D 2 0 3 i z 3 i o o 图中 l 表 示各向同 性相 1 表 示 和 同 时存在 的两相 区 Sz 表 示 S 和 同时存在的两相区 由图 3可 见 当 正癸醇 d 0 n C T A B 的比值大于 0 2 7时 相 图中出现了 S 相 随温度 的升 高 发 生了 S 到 的 转变 而 当 正癸醇 c T A B的 比值增大 时 随温度 的升 高 发生了S 向 再 向 的转变 凳肆 A B 围 3 CT AB 正叠醇 D O 体系 的相 图 S 相 的特征显微织构如图 4 见 彩图插页 所示 其 中 正癸醇 c T A B 0 2 7 图 4 是 样品刚制成 时在正交偏振片下拍得 的显微 织构 表示正 交偏振 片 图 5是 同一个样 品在 2 2 下恒温几天后拍摄的 SL特征的显微织构 也称弛豫织构 这是 S L相非常 厶 r l 器 一 J 维普资讯 清 华 大 学 学 报 第3 0 卷 1 0 S a 2 2 1 5 s 圈 5 相 的显 微 织构 有 代表 性 的显微 织构 只要在偏光显 微镜 下看到这种织构就 可 以断 定该 相为 相 DAC1 D O 体系在下列 浓度条件下存在着六方 近晶相 I L I D A C I L D 2 O 0 4 5 2 5 O 5 4 7 5 其显微织 构如图 6和 7见 彩图插 页 所 示 比较图4 7可见 相 和S 相 的显 微织构 有很大的区别 因而 区别 这两个相 是很容易的 此 外 朋 相存在 时 体系往 往有较大的牯度 当 相发 生变 化 时 生 成或 消失 在偏光显微 镜下可 以观察 到非常好 看的色彩变化 某些体系 中 相 的显 微织构与 图 6和 7比较往往稍有不 同 但基本相似 2 2向列 相的显微 织构 近年来 许 多文 章 中都报导 了关 于溶 致液晶 向列相 的研 究 结 果 其 中突 出的是 L J Yu 等人首 次在溶 致液晶体 系 中发现 了双 轴 向列相 的存 在 N 相 的胶团是碟状 的 其 结 构与 相相似 它是单 轴向列相 它具 有正 的光学各 向异性 和负 的介磁 各向异性 当用毛细管制成样 品时 的排 列是垂直于玻璃表面 的 因 而弛 豫膜显 示了假各 向同性的显微织 构 p 8 e u d o i B o t r o p i c t e xt ur e 如图 1 0所示 相的胶 团是棒状 的 它也 是 单轴 向列 相 具有负 的光学 各向异性 和正 的介磁 各向异 性 当在毛细管 中 正 癸醇 浓度不 变 加 为 6 2 4 图 B KL 正 癸醇 D i 0 体 系 的相 囱 维普资讯 第 3期 寿徐颐 溶致液晶及其显馓织构 6 5 制成 样品 时 c相 的排 列是 与玻 璃表 面平行的 因而在磁场作 用下 磁 场方 向与毛细 管长轴垂直 能够 得到 均匀 的排 列 这是 相 与 相所 不同 的地方 也是 区别 它 们 的 另 一 种 方 法 相 是具有双光 轴的向列相 目前只在二 三个体 系 中发 现 这个发现对研 究 液 晶 的 光 学 性 质 有 很大 的 意 义 图 8是十二 酸钾 KL 正 癸醇和D O 体系 的相 图 由图q 可见 在该体 系 中 的 某些 区域 内存在着 J v 3个向列相 图 9 1 4 图 1 3 1 4见彩图插 页 是 3个 向列 相的特征 显微织构 在上 述体 系 q 各组 分 的组成 质量分数 为 XLI 正 癸醇 D O O 2 5 2 5 1 o 0 6 3 5 1 o 6 8 4 0 此 处 KL 正 癸醇I Dz O 三者的 比例与 图 8中不 同 其原 因是使用 了不 同的 KL 在制备溶 致液 晶相 图中 这 是一种常见的现象 比较 图 9和 1 3可 以看 出 在 开始 时 和 相 的 显 微 织构 并没有多大区别 但是放置一 段时间后 相可 以变成假 各向 同性相 图i 0 而 相 的显 微织 构趋向于 比较均匀 此外 相在磁场 中可 以得到均匀排列 而 一 一 图 9 l 0 8 3 2 0 8 s 相 图 1 0 1 0 8 3 2 C 3 e 2 0 弛豫 相 一 一 图 l 1 l 0 8 3 一 2 2 1 e 1 T s L 相 变 图l 2 l 0 8 3 2 2 4 4 s h 相 相 在磁 场 中排列 并没有 变化 从 一 以及 从 I 的相 变是 非常明显 的 将N 的显 微织构 恒温 放置一段时 间 并不发 生变化 这是 区别 相与 维普资讯 B 6 清 华 大 学 学 报 第 3 0卷 相 的一种简 单的方法 2 5 胆 甾相 的显 微织构 胆 甾相 c h o e s t e r i c p h a s e 实际上也是一种 向列相 它与 向列相唯一 的不同 在 于 它具有 自发的扭 曲构型 在 向列相 中 液 晶中每一部分 的平均 光轴具有相 同的取 向 而在胆 甾相 中 具 有平面扭 曲结构 其排列 是垂直 于扭 曲轴 的 只有在垂直平面 内才是 均匀 的 与 热致液 晶中的情况相似 茁体系 中加入 手性 添加 剂或者使 用手 性表 面活性剂都可 以得到胆 甾相溶 致液晶 同样也可 以得到胆 甾相 的单轴和双 轴相 图 1 5 1 7 见彩 图插 页 所示为两种 胆 甾相 的显微织构 其 一为碟状织构 的胆 甾相 用 C 5表示 另一为棒状织构的胆甾相 用 Ch 表示 该体系的组成 质量分 数 为 KL BS 癸醇 D O 0 4 0 5 2 o 0 1 5 o o 0 5 2 4 o 5 2 7 4 C 相 与 C 相 的显微织构是不 同的 尤其 是当把它们放在磁 场 中时 所得到 的 结果是 完垒不 同的 对 C 相来说 得到 了条 纹状 的织 构 其方向垂 直 子 磁 场 图 1 6 这表 明扭 曲轴是 平行于膜的 当去掉磁场后 这 种条 纹状 的织 构可 以维持几天列 3 0 天左右 这与所用的手性材料的多少有关 而对 Ch a相来说 则得弼均匀的 深黄 色的图案 这是 由于磁场感应了胆甾相一 向列相转变 得到了不扭曲的织构 这是 区 分 C 和 C如的很好方法 3 结 论 详 细讨论 了溶致 液晶体系 中常见 的液 晶相 的显 微织 构 介 绍了识 别这 些相 的简单易 行 的方法 将有 助于人们研究溶致液 晶的相 图及相 变 作 者在 美国 Ke nt州 立大学液晶研 究所从事本项课题研 究期 间 得到 了 A Sa u p e 教授 的热情 指导 以及 O Me l n i k P Pho t i n o s博士 的帮助 谨此表 示衷 心的感谢 参考文献 1 M a t s um ot o S Sur f a ce i nd uc e d M o l e c ul a r Or i e nt a t i o n o f Li q ui d Cr ys t a l by Ca r bo xyl a t o c hr o mi um Compl e xe s Appl Phys Le f t 1 9 7 5 2 7I 2 6 8 270 2 Dub o i s J C Li q ui d c r ys t a l Or i e nt aL i o n I n duc e d by Po l ym e ri c Sur f a c e s J A pp l Phys 1 9 7 0 4 7 2 1 2 7 0 1 2 7 4 3 王 良御 廖橙 生编 著 液晶化学 北 京 科学出版社 1 9 8 8 4 Sa upe A On t he St r uc t ur e a nd t he Phys i c a l Pr o p e r t i e s o f M i c e 1 a r Nem a t i c NI I O VO Ci m e nt o 1 9 8 4 3 D 1 1 6 2 9 维普资讯 第 3期 徐寿联 溶致液晶及其显微织构 6 T 5 Sa upe A i n Cha ndr a S Se kha r e d Li qui d Cr ys t a l Pr o c e e di ngs o f t he I nt e r na t i 0 na l Co nf e r e nc e a t t he R a m a n Re s e a r c h I ns t i t ut e Ba n ga l o r e 1 97 9 6 Rad l e y K Sa up e A The St r uc t ur e o f Lyo t r o pi c Ne m a t i c De c yl a m m o ni um Chl o r i de a nd Br o m i de Sys L e m b y PM R o f M o n om e t hyl t i n Co m pl e xe s a n d by M i c r o s c opi c St udi e s M o l Cr ys t Li q Cr ys t 1 9 7 7 4 4 2 2 7 2 35 7 Yu L J Sa upe A Ob s e r vaHo n of a Bi a x i a l Ne m a t i c Pha s e i n Po t a s s i um La ur a t e 一 1 一 De c a no l W at e r M i xt ur e s Phys i c a l R e vi e w Le t t e r s 1 9 8 0 1 5 1 2 1 1 0 0 0 1 0 0 3 8 Le e H La b e s M M H e l i c a l Tw i s t i ng Po we r o f Am i no A c i ds i n a Ne m a t l c Lyo pha s e M o l Cr yst Li q Cr ys t 1 9 8 4 1 0 8 1 2 5 1 3 2 9 M e l n