液晶的结构与性质

关于液晶的结构与性质第1页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五一、液晶的特征液晶态是一种介于液体与晶体之间的中间态，它既有液体的流动性，又有类似晶体结构的有序性。这类物质在力学性质上象是液体，在光学性质上又象是晶体，故称为液态晶体，简称液晶。从微观来看，液晶态是各种特定分子在溶剂中有序排列而形成的聚集态。具有液晶性质的物质，在芳香族、脂肪族、多环族和胆讲醇衍生出来的有机化合物中都可以找到。并非所有物质都能形成液晶态。第2页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五判断某种物质是否具有液晶性质的三个条件

只有符合以下几个基本条件的物质，才有可能形成液晶态：1．分子链必须具有刚性或比较刚性的物质，在溶液中，分子链呈棒状或近乎棒状的构象；此外，有些平板状分子也可形成液晶态。2．这种物质的分子链上，必须具有苯环和氢键等极性基团。3．对于形成胆甾型液晶的分子，除了具备上述两个条件外，还必须具有光学活性因素，如含有不对称碳原子等，因而分子本身就具有较大的各向异性。第3页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五液晶物质的宏观表征和微观表征液晶物质的宏观表征，既有类似液体的流动性和连续性；又有类似晶体的有序性。它们在光学、力学和电学性质上，具有明显的各向异性，能显现浑浊、双折射、彩虹、旋光等一系列奇特的现象。从分子水平上来看，液晶物质内部分子的排列是有序的，但又是可以流动的。第4页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五二、液晶的形成根据形成方式，液晶物质可分为两类：1．热致性液晶2.溶致性液晶第5页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五1．热致性液晶热致性液晶是加热液晶物质时，形成的各向异性熔体如前所述，莱尼茨尔首次发现的液晶物质胆甾醇苯甲酸酯，就是一种热致性液晶。这种液晶通常有两个熔点。固体液晶液体加热加热冷却冷却第6页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五热致性液晶的定义和特征把某种能形成液晶的固体加热到第一熔点，这种物质就转变成为既有双折射性,又有流动性的液晶态。肉眼看到的，是一种粘稠而浑浊的液体，其稠度随不同的化合物而有所不同，从糊状到自由流动的液体都有。从分子水平来看，温度超过第一熔点时，物质内部的分子排列还是有序的，仍然具有晶体结构的特征。但是，这时的分子又是能够流动的，产生了和液体一样的性质。所以说，该种物质此时处于液晶态。由于这种液晶态是靠加热形成的，因而称之为热致性液晶。第7页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五从液晶态到液态的相变温度继续升高，加热到第二熔点时，液晶态又转变成各向同性的液体。所谓各向同性，就是说，不管从哪个方向测量这种液体，它的光学性质（如折射率）都是相同的。从分子水平来看，温度超过第二熔点时，物质分子的取向是随机的、乱七八糟的。此时，这种物质仅有和液体一样的流动性，而无任何有序性。所以说，这种物质在加热到第二熔点的温度之后，就完成了从液晶态到液态的相变。第8页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五热致性液晶的性质如果冷却这种液体，逆过程又可以倒转回来。但是，有些液晶物质在冷却时会出现“过度冷却”现象，从而形成一种不稳定相。具有热致性液晶行为的物质，当温度低于第一熔点时，是固态；温度在第一熔点和第二熔点之间，是液晶态，温度高于第二熔点时，就会从液晶态转变成液态。第9页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五2．溶致性液晶溶致性液晶是物质溶解于某种溶剂中而形成的各向异性溶液。在生物体内的液晶多属此类。固体加水去水液晶加水去水液体第10页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五例子溶致性液晶的形成过程为便于理解，我们举个例子。将一小把火柴很撒在脸盆的水面上，由于水面相对来说比较宽阔，这些火柴棍在水面上的分布是随机的，东一根，西一根，到处飘浮，各处皆有，看起来是杂乱无章的，火柴棍就好比能形成液晶态的溶质——棒状刚性分子，水是一种溶剂。在均质溶液中；溶质分子在溶剂中的分布是随机的、杂乱无章的，恰如我们在脸盆水面上看到的火柴棍那样。但是，把同样多的火柴棍放在一个茶杯里，由于水面窄，火柴棍多，这些火柴棍就不得不朝着某个方向挤在一起，比较有秩序地排列起来。溶致性液晶就是这样形成的。当然，实际情况比上述例子复杂得多，但可以据此来想象溶致性液晶的形成过程。第11页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五溶致性液晶的定义和特性随着溶剂的减少，棒状刚性分子就会象火柴棍那样，朝着某个方向挤在一起，有秩序地排列起来，形成了一种有序而又能流动的液晶态。这种液晶态是在溶液中，由于溶剂的减少或溶质的增多而形成的，所以叫做溶致性液晶。第12页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五临界浓度从均质溶液开始转变为各向异性溶液的浓度，就叫做临界浓度。在临界浓度之上，物质开始形成溶致性液晶。分子链越长，临界浓度就越低。但是，要在比临界浓度更浓的溶液中，才能形成有序程度更高的液晶态。如果把溶剂完全去掉，仅仅剩下单一的溶质分子，这时就从液晶态转变成为固态。第13页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五三、液晶的结构从微观来看，按分子排列方式的不同，可以把液晶分为三种类型。

1．向列型液晶

2．近晶型液晶

3．胆甾型液晶第14页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五1．向列型液晶向列型液晶的分子排列模型：这种液晶分子的形状象雪茄烟，分子的长轴近于平行，但不能排列成层。处于这种液晶态的分子，能上下、前后、左右移动，单个分子也能绕长轴旋转。第15页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五向列型液晶最大的特点向列型液晶最大的特点是：在磁场、电场、表面力和机械力的影响下，分子排列一律倾向于同一方向。例如，在末经处理的两块玻璃之间，涂上一薄层向列型液晶。这时，液晶薄层表面分子排列方向与玻璃面平行。如果用定向排列剂铬酸处理玻璃片，然后在两玻片之间夹一薄层向列型液晶。这时，液晶薄层内部的分子虽然不直接与玻璃面接触，但因受表面定向剂的影响，液晶分子的取向转了90”，它们在与玻璃面垂直的方向上整齐地排列起来。向列型液晶在外因作用下，分子排列方向易趋于一致，这一特征在工业上有广泛的用途，在生物液晶中也常常显示出来。第16页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五2．近晶型液晶近晶型液晶的分子排列模型：这种液晶分子的形状也象雪茄烟，分子长轴互相平行，且排列成层，层与层之间相互平行，分子排列比较整齐，近似于晶体的分子排列状况。第17页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五近晶型液晶在这种液晶结构中，通常分子只能在层内前后左右移动，而不易在上下层之间越层移动。但是，单个分子也能绕其长轴旋转。由于层内分子之间有较大的约束力，这种液晶态对电磁场等外界干扰，不如向列型敏感。但是，层与层之间容易产生滑动。由于这类液晶的规整性接近了晶体的结构，因而叫做近晶型液晶。第18页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五3．胆甾型液晶形成这种液晶态的棒状分子分层排列。在每一层中，分子的排列是平行的，取向是一致的。但相邻两层分子的排列方向扭转了一定的角度，因此多层分子链的排列方向逐层扭转，而呈现螺旋形结构。因这种结构是胆甾族化合物液晶所共有的性质，故名胆甾型液晶。第19页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五胆甾型液晶的特性胆甾型液晶的分子排列有周期性。当分子的排列方向旋转了360°C。，原来的取向时，即为一周期。在一周期中，分子链排列方向完全相同的两层之间的距离，称为胆甾型液晶的螺距，它是表征胆甾型液晶的一个十分重要的物理量。胆甾型液晶的螺距变化，通常随溶液浓度的增加而减小，随体系温度的升高而增大。当螺距增加到无限大时，胆甾型液晶就变成向列型液晶。因此，胆甾型液晶实际上可以看作是一种扭曲了的向列型液晶。第20页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五各类液晶的典型实例现将各类液晶的典型实例列于表中。从此表可以看到，液晶物质的分子基本上是细长，1978年以后，用扁平的圆盘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极性基团，或者是有极性的大分子团。总之，从分子结构的级特点来分析，液晶必须在有分子间力和相互作用的条件下才能形成。第21页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五第22页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五液晶的几种相变应当注意的是，液晶物质可以形成不止一种类型的液晶。许多化合物既可形成热致性液晶，也可形成溶致性液晶。有的液晶物质，当温度达到第一熔点之后，先形成近晶型液晶；温度继续升高到接近第二熔点时，又可形成向列型液晶。下图显示出热致性液晶发生相变的情况。第23页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五第24页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五溶致性液的相变生物液晶就其形成方式而言，都是溶致性液晶。但是，它们在不同的温度下也可发生相变。这种相变对生命活动是至关重要的。例如，在夏天，昆虫体内许多器官、组织的结构呈液晶态，使昆虫的活动得以正常进行。在冬天，昆虫体内的这些结构，发生了从液晶态到凝胶态的相变，也就是从液晶态到固态的相变。这样，昆虫就处于休眠状态。第25页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五四、液晶的效应液晶的独特性质就在于它对各种外界因素（如热、电、磁、光、声、应力、化学气体、辐射等）微小变化，都非常敏感。很小的外界能量，就能使它的结构发生变化，从而使其功能发生相应的变化。因此，液晶有许多奇妙的“效应”。第26页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五1．温度效应胆甾型液晶具有引人注目的温度效应。它是条“变色龙”，能随微小的温度变化而显示出不同的颜色。这是由于它的分子结构呈螺旋状排列，当螺距与光的波长一致时，就产生强烈的选择性反射。这样一来，虽然入射光是包含有各种波长的可见光，反射光却是有一定波长范围的单色光。而且，胆甾型液晶的螺距对温度十分敏感，这就使得它的颜色可以在几度，甚至十分之几度的温度范围内剧烈地改变。液晶的这一特性，导致了许多重要的应用。例如，金属材料和零件的无损探伤，红外像转换，微电子学中热点（短路处）的探测，致冷机的漏热检查以及在医学上诊断疾病、探查肿瘤。第27页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五2．电光效应液晶分子对电场的作用非常敏感，外电场的微小变化，就会引起液晶分子排列方式的改变，从而引起液晶光学性质的改变。因此，在外电场作用下，从液晶反射出的光线，在强度、颜色和色调上都有所不同，这就是液晶的光电效应。第28页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五液晶分子排列工程至今已发现液晶有15种以上的电光效应。它们是按液晶分子最初的排列方式以及在外电场作用下改变后的排列方式来区分的。按各种要求，使液晶分子获得各种排列方式的工作，叫做液晶分子排列工程。第29页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五电光效应的应用利用各种液晶的电光效应，可以实现各种各样的显示。液晶显示的电子表，就是利用电光效应而实现的。液晶表的出现，导致了手表工业的一场革命。最近，利用液晶显示技术，又制成了液晶电视机。它的出现，必将导致电视机工业的一场革命。第30页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五3．磁效应液晶分子的排列对磁场也很敏感，在外磁场作用下，它的排列方式会发生急剧的改变。例如，当磁场强度超过某个阈值时，向列型液晶可以变成胆甾型液晶，由此而引起液晶物质在光学性质上的改变。显然，磁效应在原理上与电光效应类似。第31页，共33页，2022年，5月20日，6点39分，星期五4．光生优特效应在镀有透明电极的两块玻璃板之间，夹有一层向列型