液晶的性质与功能

液晶的性质与功能

广泛应用于电子、航天航空、国防、军事、光学通信等高科技领域。计算机相下的物质不仅具有液体流动性和连续性，而且还具有晶体分子结构的序列和各向异性。其独特的结构决定了光、电、磁等物理特性，并决定了该模型在计算机表现方面的独特应用。本文就液晶织构和液晶性质的表征等方面进了具体的介绍。1胆哌醇苯甲酸酯类液体液晶(LiquidCrystals),被称作为物质的“第四态”,是一种介于各向异性晶体和各向同性液体之间的有序流体,所以又叫介晶相(Mesophases)。液晶最早是由奥地利植物学家Reinitzer于1888年发现的。他在测定胆甾醇苯甲酸酯的熔点时,发现该有机物在145.5℃,熔化成一种雾浊的液体,然后经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态,继续加热到178.5℃会变成清亮的液体并发出多彩而美丽的珍珠光泽,继续加热到某一温度会变成透明清亮的液体。第二年,德国物理学家Lehmann使用附有热台的偏光显微镜对该有机物进行了观察并得出结论:这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体,但却显示出各向异性晶体特有的双折射性,于是Lehmann将其命名为“液态晶体”,这就是关于“液晶”,的首次报道。2岩相色显示材料液晶是介于液态和晶态之间的一种物质状态,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性。它有不完全的取向长程有序和位置有序。图1给出了液晶的相态变化图,如图所示,T1为熔点(mp),T2为清亮点(cp),在T1-T2之间为液晶相区间。液晶态是热力学稳定的中间相态,而不是介稳态,因为在相变时有严格确定的焓变(ΔH)和熵变(ΔS)。液晶独特性质在于它对各种外界因素如热、电、磁、光等的微小变化都非常敏感,使其结构发生变化,其功能也发生相应的变化。液晶的这一特性在显示领域得到广泛应用,使信息时代成为现实。液晶作为显示材料具有驱动电压低、微功耗、灵敏、准确、安全、平板显示、器件大小可变、在明亮环境下可读等突出优点,而且可以和大规模集成电路一体化。因此,研究液晶特征与其分子结构及外力作用之间的关系,对合成有实用价植的新型液晶材料有重大意义。3海水淡化系统的分类液晶的分类可以按照不同的方式。根据形成的条件和组成,液晶大致可分为热致型液晶(thermotropicliquidcrystals)和溶致型液晶(lyotropicliquidcrystals)两大类。前者呈现液晶相是由温度引起的,并且只能在一定温度范围内存在,一般是单一组分。后者是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成的液晶体系,由两种或两种以上的化合物组成。溶致型液晶在生物系统中大量存在,即通常所说的生物液晶。按照液晶物质的分子量大小,液晶可以分为小分子液晶和高分子液晶。而高分子液晶根据介晶基元在分子中的分布以及主链的柔性又可以分为主链型高分子液晶和侧链性高分子液晶等。4织构的物理结构液晶的物理结构主要是指组成分子在空间的排列。液晶织构的研究也是物理结构的重要内容。在晶体学中,所谓织构是指多晶体中微晶的形状、尺寸和取向特征,常用偏光显微镜和电镜照片加以说明。不同类型的液晶可以观察到不同的织构。4.1偏光显微结构向列相液晶又称丝状相液晶,简称为N,向列相液晶的分子具有长程取向有序,局部区域的分子趋于沿同一方向排列。两个不同排列的取向区的交界处,在偏光显微镜下显示为丝状条纹。其常见的织构有丝状、纹影状、微滴状、大理石状织构等。4.2胆哌相联合织构的结构胆甾相液晶简称为Ch,有时也叫螺旋状液晶。胆甾相与向列相的差别在于分子的排列取向沿着一条螺旋轴螺旋式的变换方向,形成了一维螺旋结构。胆甾相液晶的分子也是长程取向有序的。在各向同性液体和胆甾相之间温度在量级为0.1~1.0K的范围内,可以在一些胆甾相液晶中观察到蓝相。蓝相是胆甾相特有的一种织构。此外,胆甾相液晶还有平板木状、扇状、指纹状、血小板状等常见的织构。4.3近晶相结构近晶相液晶也称为层状相液晶,近晶相的种类很多,其有序性各异,形成的织构也各不相同。目前,最少提出了14种不同的近晶相,分别为近晶A相,B相,C相,…K相(分别用SA,SB,SC,…,SK来表示)。近晶相分子倾向于沿指向矢方向取向,并以层状排列,更多的分子倾向于位于相隔一定间距的平面上,只有少量的分子位于这些平面之间。所以近晶相分子除具有取向有序外还有一些位置有序。由于对近晶相的认识还在深入和发展,随着时间的推移,对近晶相结构的归纳还要修正。近晶相常见的织构有焦锥、扇状、纹影状、大理石纹状、星形、镶嵌扇状等。4.4盘状分子的热膨胀聚合体圆柱型液晶是印度学者S.Chandrasekhar等第一个发现的。组成圆柱的分子通常具有盘子一样的形状,因此这类液晶又称为盘状液晶(discoticliquidcrystals)。盘状分子的中心通常具有苯环或其它芳香环结构,周围有一些“尾巴”,这些“盘子”象硬币那样重叠起来,于是形成一束束分子柱,然后分子柱排列成二维织构,由此可形成很多新的相态,这些相态不能简单归为向列相或近晶相,而把这些相态称为柱状相。柱状相中分子柱之间的排布形成单重熔化态,在与柱体平行的方向上容易发生剪切流动。由盘状分子相互堆积成的分子柱可以在外界电场、磁场中自组装形成具有六方对称或矩形对称的柱状分子聚集体,表现出光学各向异性。图2表示出了不同液晶相态结构的分子排列。5邵氏性能液晶态的基本表征手段有偏光显微镜(具有热台)法,差示扫描量热法和X-射线衍射法。5.1光学显微法:双折射现象中的织构偏光显微镜(POM)往往被作为表征液晶态的首选手段。利用偏光显微镜可以研究溶致液晶态的产生和相分离过程,热致液晶物质的软化温度或熔点,液晶态的清亮点,各液晶相之间的转变,液晶体的光性质,以及液晶织构和取向缺陷形态学问题。由于液晶分子的取向排列,使得液晶具有光学各向异性,例如双折射现象。所谓双折射现象是指在液晶中不同方向的光具有不同的传播速度,正是由于液晶有双折射现象,所以在正交偏光显微镜下能观察到它具有一定的织态结构,简称织构(texture)。织构一般是指液晶薄膜(厚度约为10~100μm)在光学显微镜特别是正交偏光显微镜下用平行光系统所观察到的图象,包括消光点或者其它形式消光织构的存在乃至颜色的差异变化等等。一个理想的结构均匀的样品只能给出单一色调而无织构可言。我们更关心的是分子或介晶基元排列中的平移缺陷(位错)和取向态的局部缺陷(向错),以及因位错、向错而产生的织构特征。厚薄的差异,异物的杂入,表面的存在以及表面性质的不均匀等,都可以导致位错和向错,并因此产生不同的织构。常见的有丝状织构(threadedtexture)、纹影织构(schlierentexture)、焦锥织构(focalconictexture)等。因此,这一方法也可用来辨别相态的类型。图3列出了一些典型的液晶相态织构图。5.2dsc图分析差示扫描量热法(DSC)是研究任何有热效应产生的物理或化学变化过程的有力工具,从固态熔化到各向同性液体之间可显现多种相态的变化。相态变化的同时会伴随着一系列热效应和有序程度的变化,如焓变和熵变,表现在DSC图上为吸热或放热峰。在升温过程中,有序度高的相态一般先出现,因而相转变峰的出现次序一般为:结晶到有序结构的近晶相,有序结构的近晶相到无序结构的近晶相,近晶相到向列相,最后是向列相到各向同性的液态。另外,各种相变的热焓具有大概的数值范围,一般说来,近晶相有较高的有序度,其焓变值较高,一般在1.5~5.0kcal/mol,而向列相仅有0.3~0.8kcal/mol。因而,也可以根据热焓值的大小来大概判断液晶的相态类型。5.3衍射作用在不同层间距的样品中的应用X-射线波长小于原子间距和分子间距,但又基本属于同一数量级,可用于了解原子和分子的堆积排布以及这种排布的有序程度等信息。包括高分子在内的物质的各种液晶态,其分子排布和有序程度的类别都可利用X-射线衍射方法进行研究。其作用是偏光显微镜和DSC等方法所不能替代的。粉末样品的衍射可分为内环(小衍射角)和外环(大衍射角)两种。内环代表的是较长的层间距。外环衍射则与邻近分子间的排列相关联,衍射环的图形(锐钝)可以定性地表征样品的有序性,有时由于多晶和无定形结构存在,X-射线的衍射峰态弥散,以致于不能很好的鉴别液晶的相态。一般来说,近晶相液晶的X-射线衍射图样在3~5℃布拉格角的范围内有尖锐的峰,说明分子具有较规整的层状排列。如在10~30℃范围内还有环,说明分子层中的排列是有规则的,即属于有序结构的近晶相。反之,如果环是弥散的,则表面在层中分子的排列不规整,属于无序结构的近晶相。对于向列相液晶,则主要在大衍射角的范围内有亮环或弥散环。6声、热、磁转换技术的应用由于液晶具有晶体分子排列的有序性和光学各向异性等性质,其独特的结构决定了其具有独特光,电,磁等与众不同物理和