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1、沈沈 冬冬理学院、物理系理学院、物理系华东理工大学华东理工大学12我是奥地利植物学家1888年的一天，我在实验室做实验加热到145.5度时，该晶体熔融成混浊液体，继续加热到178.5度时，混浊液体变成了清亮的液体胆甾醇苯酸脂（胆甾醇苯酸脂（C C6 6H H5 5COCO2 2C C2727H H4545） 1.1 1.1 前言前言3本来我以为这是因为所用晶体含有杂质引起的但是经过多次提纯，这种现象仍然不变。后来，我把观察到的现象告诉了德国物理学家为什么为什么 ?4在熔点到清亮点的范围内，这些物质的在熔点到清亮点的范围内，这些物质的机械性能与各向同性液体相似；但是它机械性能与各向同性液体相似；
2、但是它们的光学性质却和晶体相似，是各向异们的光学性质却和晶体相似，是各向异性的性的 也就是说：也就是说： 物质在中介相具有强烈的物质在中介相具有强烈的各向异性各向异性物理特征物理特征 同时又象普通流体那样具有同时又象普通流体那样具有流动性流动性。这种中介相被称为这种中介相被称为液晶相液晶相( (介晶相）。介晶相）。5 固态固态 液态液态 气态气态 液晶态（液晶态（物质的第四态物质的第四态） 液晶特性液晶特性: 各向异性，流动性各向异性，流动性。 熔点熔点沸点清亮点晶体：长程完全有序。晶体：长程完全有序。液晶：短程部分有序。液晶：短程部分有序。液体：完全无序。液体：完全无序。6液晶的发现虽然已经
3、有一百多年的历史，但在没找到实际用途液晶的发现虽然已经有一百多年的历史，但在没找到实际用途之前，只是长期地停留在实验室。自上世纪七十年代开始，由之前，只是长期地停留在实验室。自上世纪七十年代开始，由于液晶在显示邻域的应用及其优越的性能，使其得到飞速发展。于液晶在显示邻域的应用及其优越的性能，使其得到飞速发展。三十年代中期三十年代中期科学家对液晶的合成以及液晶的重要物理特性科学家对液晶的合成以及液晶的重要物理特性才累积到一定的系统知识。才累积到一定的系统知识。五十年代末期五十年代末期科学家建立了关于液晶的比较正确的理论。人科学家建立了关于液晶的比较正确的理论。人们了解到一些关于液晶材料在物体热图
4、象方面们了解到一些关于液晶材料在物体热图象方面的应用价值，于是激发起了进一步探索液晶在的应用价值，于是激发起了进一步探索液晶在技术方面用途的兴趣。技术方面用途的兴趣。18881888发现液晶发现液晶7 七十年代七十年代制成制成TN-LCD，并迅速工业化，被广泛应用，并迅速工业化，被广泛应用于计算器、手表、测试设备及汽车显示等。于计算器、手表、测试设备及汽车显示等。发现了由盘形有机分子构成的液晶。发现了由盘形有机分子构成的液晶。六十年代末期六十年代末期动态散射现象的发现才使液晶在显示器件方面动态散射现象的发现才使液晶在显示器件方面显现出光明的前景。显现出光明的前景。八十年代八十年代STN-LCD
5、STN-LCD成为中高档、中小尺寸显示的主导。成为中高档、中小尺寸显示的主导。8080年代中后期，日本已开始大批量生产以年代中后期，日本已开始大批量生产以TFTTFT为代表的为代表的AM-LCDAM-LCD。目前它是手提电脑的。目前它是手提电脑的首选显示屏。首选显示屏。当前当前TN， STN， TFT大规模产业化。大规模产业化。理论研究和实际应用均飞速发展。理论研究和实际应用均飞速发展。89有关液晶学的会议、文献、书籍（参考资料）：有关液晶学的会议、文献、书籍（参考资料）：国际液晶大会，国际液晶大会，2年一次；年一次；国际铁电液晶大会，国际铁电液晶大会，2年一次；年一次；欧洲液晶会议；欧洲液晶
6、会议；德国弗赖堡液晶会议，每年一次；德国弗赖堡液晶会议，每年一次；中国液晶会议；中国液晶会议；中国平板显示会议。中国平板显示会议。Liquid Crystals; J. Mater. Chem.; Adv. Mater.;Chem. Comm.; J. Ameri. Chem. Soc.;液晶与显示（液晶通信），长春。液晶与显示（液晶通信），长春。 现代显示。现代显示。液晶物理学，谢旈章。液晶物理学，谢旈章。 液晶化学，王良御，廖松生；液晶化学，王良御，廖松生；超分子液晶，晏华。超分子液晶，晏华。 液晶器件手册，黄锡珉，黄辉光，液晶器件手册，黄锡珉，黄辉光， 李之路。李之路。101.2 1.2
7、 液晶的分类液晶的分类1。根据化合物类型：。根据化合物类型： 小（低）分子液晶；高分子液晶。小（低）分子液晶；高分子液晶。2。根据诱导条件：。根据诱导条件： 热致液晶（液晶相形成仅与温度有关）。热致液晶（液晶相形成仅与温度有关）。 溶致液晶（液晶相形成与溶剂和温度有关）。溶致液晶（液晶相形成与溶剂和温度有关）。 压致液晶（液晶相形成与压力有关）。压致液晶（液晶相形成与压力有关）。 电致液晶（液晶相形成与电场有关）。电致液晶（液晶相形成与电场有关）。 光致液晶（液晶相形成与光照有关）。光致液晶（液晶相形成与光照有关）。113。根据液晶分子形状：棒状分子液晶；。根据液晶分子形状：棒状分子液晶； 碟
8、状分子液晶；碟状分子液晶； 剑状分子液晶；剑状分子液晶； 弯曲形分子液晶。弯曲形分子液晶。 4。根据液晶相的类型：胆甾相液晶。根据液晶相的类型：胆甾相液晶 (Ch)； 向列相液晶向列相液晶 (N)； 近晶相液晶近晶相液晶 (Sm)； 柱相液晶柱相液晶 (Col); 立方相液晶立方相液晶 (Cub)。12液晶的分类液晶的分类液晶液晶热致液晶热致液晶溶致液晶溶致液晶近晶相液晶近晶相液晶向列相液晶向列相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶柱相液晶柱相液晶立方相液晶立方相液晶层相液晶层相液晶柱相液晶柱相液晶13 自从液晶被发现以来，是否存在着介晶相的问题自从液晶被发现以来，是否存在着介晶相的问题是有争论的。如塔曼
9、以及能斯脱等著名化学家曾指出：是有争论的。如塔曼以及能斯脱等著名化学家曾指出：液晶可能是由许多极小的晶体分散在各向同性液体中液晶可能是由许多极小的晶体分散在各向同性液体中而形成的胶态体系；或者是由不纯物质生成的一种乳而形成的胶态体系；或者是由不纯物质生成的一种乳浊液体。但结晶浊液体。但结晶-液晶、液晶液晶、液晶-各向同性液体的相变温各向同性液体的相变温度可以分别重复出现，并且在高倍显微镜下观察液晶度可以分别重复出现，并且在高倍显微镜下观察液晶时，看不见任何颗粒，所以关于液晶的二相说很快就时，看不见任何颗粒，所以关于液晶的二相说很快就被完全否定了。被完全否定了。 1.3 1.3 热致液晶热致液晶
10、14由温度变化而形成。最先发现，研究较详细深入。由温度变化而形成。最先发现，研究较详细深入。主要有棒状分子，盘状分子，剑状分子等。主要有棒状分子，盘状分子，剑状分子等。形成胆甾相，向列相，近晶相，柱相。形成胆甾相，向列相，近晶相，柱相。相性质相性质热致液晶热致液晶15 应当注意应当注意, ,同一种液晶物质并不一定只具有一种同一种液晶物质并不一定只具有一种类型的液晶相类型的液晶相. .以下图解说明其相变：以下图解说明其相变： T1 T2 T3 晶体晶体 近晶相近晶相 向列相向列相 各向同性液体各向同性液体（例如：（例如：4，4-双庚氧基苯。双庚氧基苯。 T1 =74 oC， T2 =95 oC，
11、 T3 =124 oC） T1 T2 T3 晶体晶体 近晶相近晶相 胆甾相胆甾相 各向同性液体各向同性液体（例如：胆甾醇壬酸脂（例如：胆甾醇壬酸脂. T1 =78 oC， T2 =79 oC， T3 =90.5 oC）16互互变相变型：变相变型： 晶体晶体 液晶相液晶相 各项同性液体各项同性液体 单单变相变型：变相变型： 晶体晶体 各项同性液体各项同性液体 液晶相液晶相T1T2T1T217重入液晶：重入液晶：晶体晶体 近晶近晶A相相 向列相向列相 近晶近晶A相相 向列相向列相 各项同性液体各项同性液体94 0C96.4 0C138.9 0C247 0C283 0C18液晶的检测有很多种方法：液
12、晶的检测有很多种方法：一、毛细管法一、毛细管法 把形成液晶物质的结晶放入玻璃毛细管中加热把形成液晶物质的结晶放入玻璃毛细管中加热,晶晶体就将在非常明确的温度下熔解体就将在非常明确的温度下熔解. 若呈现为粘稠而浑浊的不透明液体并附着在玻璃壁若呈现为粘稠而浑浊的不透明液体并附着在玻璃壁上上,这种状态称之为这种状态称之为近晶相近晶相 若为半透明的液体并形成弯月面的状态若为半透明的液体并形成弯月面的状态,则为则为向列向列相相 若熔融状呈现上述两态的中间状态若熔融状呈现上述两态的中间状态,且相变时伴有且相变时伴有多种颜色的出现多种颜色的出现,则是则是胆甾相胆甾相 对上述三种液晶相再进一步加热对上述三种液
13、晶相再进一步加热,则在另一个明确则在另一个明确的温度下的温度下,转变成各向同性的透明液体转变成各向同性的透明液体.1.4 1.4 液晶的检测液晶的检测19下表是各种类型液晶的观察结果下表是各种类型液晶的观察结果液晶的特性液晶的特性正的单轴结晶正的单轴结晶( (主要指近主要指近晶相晶相A).A).在偏光显微镜下在偏光显微镜下呈现锥体纹理织构图象呈现锥体纹理织构图象. . 油脂状、粘性较大油脂状、粘性较大的浑浊液体的浑浊液体.(.(在毛细在毛细管中难以形成弯月面管中难以形成弯月面) )近晶相近晶相 正的单轴结晶正的单轴结晶. .在偏光在偏光显微镜下呈现丝状纹理织显微镜下呈现丝状纹理织构图象构图象.
14、 . 在毛细管中形成弯在毛细管中形成弯月面的流动的浑浊液月面的流动的浑浊液体体. .向列相向列相负的单轴结晶负的单轴结晶. .旋光性极强旋光性极强. .反反射特定波长的圆偏振光射特定波长的圆偏振光( (颜色颜色随观察角度而变随观察角度而变).).既类似近晶相又类似既类似近晶相又类似向列相的流体向列相的流体. .光光 学学 特特 性性外外 观观液液 晶晶胆甾相胆甾相20二、偏光显微镜法二、偏光显微镜法Polarizing filters in an isotropic medium (such as air). The systems optical throughput depends on
15、the relative orientation of the polarizer and analyzer. 21 观察液晶，若有带偏振片的测定微量物质熔点的观察液晶，若有带偏振片的测定微量物质熔点的装置，则能较方便的测定相变装置，则能较方便的测定相变.观察时，通常把样品观察时，通常把样品作成薄层，即夹在载玻片之间，把它放在偏光显微镜作成薄层，即夹在载玻片之间，把它放在偏光显微镜的载物台上（通常两偏光镜正交），加热成各向同性的载物台上（通常两偏光镜正交），加热成各向同性液体，然后边冷却边观察。开始看到的是暗视野，不液体，然后边冷却边观察。开始看到的是暗视野，不久温度下降到出现液晶时，便可观察
16、到发光的粒子和久温度下降到出现液晶时，便可观察到发光的粒子和某种纹理某种纹理,这种纹理称之为织构。这种纹理称之为织构。不种类型的液晶，不种类型的液晶，其纹理结构的特点各不相同其纹理结构的特点各不相同22向列相的纹理结构向列相的纹理结构近晶近晶C相的纹理结构相的纹理结构胆甾相的纹理结构胆甾相的纹理结构柱相的纹理结构柱相的纹理结构23 正交偏光显微镜下观察到的液晶的各种纹理正交偏光显微镜下观察到的液晶的各种纹理结构：结构：近晶相近晶相A A的纹理结构的纹理结构近晶相近晶相B B的纹理结构的纹理结构近晶相近晶相C C的纹理结构的纹理结构近晶相近晶相B的马赛克纹理结构的马赛克纹理结构24近晶相近晶相A
17、 A和和C C的纹理结构变换的纹理结构变换 近晶相近晶相B B和和C C的纹理结构变换的纹理结构变换近晶相近晶相E的马赛克纹理结构的马赛克纹理结构近晶相近晶相G的马赛克纹理结构的马赛克纹理结构25三、混融实验三、混融实验 把两种液晶加热把两种液晶加热,使其混浊使其混浊,再把它们掺混到一起再把它们掺混到一起,然后根据混合的情况然后根据混合的情况,判别这两种液晶是相同的还是判别这两种液晶是相同的还是不相同的不相同的.在混融实验中在混融实验中,如果两种液晶以任何比例都如果两种液晶以任何比例都能相互混融能相互混融,并形成均相状态并形成均相状态,则可确认它们属于同一则可确认它们属于同一种液晶种液晶. 除
18、了以上的观测方法除了以上的观测方法, ,还常用还常用差热分析装置和差热分析装置和量热计（量热计（DSCDSC）等进行热分析、等进行热分析、X X光衍射、介电各向光衍射、介电各向异性和磁各向异性等电和磁性质的测定异性和磁各向异性等电和磁性质的测定. .26T/oCHeatingCoolingHeat flow/mWCr.Cr.SmCSmCIso.Iso.DSC27 液晶不但可由通常的有机化合物加热熔解后液晶不但可由通常的有机化合物加热熔解后生成，而且把某些有机化合物（两性化合物）放生成，而且把某些有机化合物（两性化合物）放在一定的溶剂里也能形成液晶，例如肥皂的浓水在一定的溶剂里也能形成液晶，例如
19、肥皂的浓水溶液便是具有代表性的一例。溶液便是具有代表性的一例。 大家好，我是劳伦斯，我把这种大家好，我是劳伦斯，我把这种由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，由于加热破坏结晶称为溶致液晶，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。这里必须指出，某些物质既可以形成热这里必须指出，某些物质既可以形成热致液晶，又可以形成溶致液晶。致液晶，又可以形成溶致液晶。1.5 1.5 溶致液晶溶致液晶28溶致型液晶的发现可以追溯到溶致型液晶的发现可以追溯到1919世纪中期世纪中期. .18541854年年: :维尔肖把脑组织的酒精浸取液与
20、水接触膨胀维尔肖把脑组织的酒精浸取液与水接触膨胀, ,便可形成髓磷脂形便可形成髓磷脂形. .18581858年马坦海默观察到这种髓磷脂形具有光学各向异年马坦海默观察到这种髓磷脂形具有光学各向异性性, ,说明它为有序结构说明它为有序结构. .18661866年纽鲍尔曾记述年纽鲍尔曾记述, ,油酸和氨水接触时也可形成髓磷油酸和氨水接触时也可形成髓磷脂形脂形. .18951895年年, ,莱曼发现油酸铵的水溶液能形成液晶莱曼发现油酸铵的水溶液能形成液晶, ,从此从此, , 溶致型液晶才引起了人们极大的兴趣溶致型液晶才引起了人们极大的兴趣. .29 油酸铵是一种肥皂油酸铵是一种肥皂,1923年麦克伦南
21、最早发现年麦克伦南最早发现肥皂浓溶液能形成液晶肥皂浓溶液能形成液晶.后来后来,1925年麦克贝恩和年麦克贝恩和兰登详细分析了肥皂的生产过程兰登详细分析了肥皂的生产过程,发现较稀的肥发现较稀的肥皂水溶液为各向同性液体皂水溶液为各向同性液体,而在浓溶液里则存在而在浓溶液里则存在两个光学各向异性的相两个光学各向异性的相,浓度稍低的为中间皂相浓度稍低的为中间皂相,浓度较高的为纯皂相浓度较高的为纯皂相.虽然这两个相都为溶液状虽然这两个相都为溶液状态态,但均缺乏流动性但均缺乏流动性.纯皂相较软纯皂相较软,呈半固体状态呈半固体状态,中间皂相虽比纯皂相多两倍水中间皂相虽比纯皂相多两倍水,但粘滞度还是比但粘滞度
22、还是比纯皂相大纯皂相大.两个相都属于近晶相液晶两个相都属于近晶相液晶,用偏光显微用偏光显微镜观察其宏观结构时镜观察其宏观结构时,则两个相都具有明显不同则两个相都具有明显不同的纹理织构的纹理织构.30 后来后来,在合成界面活性剂的浓溶液中在合成界面活性剂的浓溶液中,也发现了也发现了同样的液晶同样的液晶,并用并用X射线衍射详细研究了它的结构射线衍射详细研究了它的结构. 有机体中也能形成溶致型液晶有机体中也能形成溶致型液晶.后来人们发现高后来人们发现高分子溶液中也能形成溶致型液晶分子溶液中也能形成溶致型液晶,如聚氨基酸脂的如聚氨基酸脂的氯仿溶液为氯仿溶液为胆甾相液晶胆甾相液晶, ,使这种液晶的溶剂蒸发使这种液晶的溶剂蒸发, ,就可得到反射蓝色圆偏振光的胆甾相液晶的固体就可得到反射蓝色圆偏振光的胆甾相液晶的固体膜膜.1911.1911年人们就发现年人们就发现, ,某中甲虫类的前翅能反射某中甲虫类的前翅能反射圆偏振光圆偏振光. .经过几十年的科学实验经过几十年的科学实验, ,最近已能制成最近已能制成具有同样性质的人工膜具有同样性质的人工膜. .311.5.1 1.5.1 溶致液晶相性质溶致液晶相性质形成条件：形成条件： 两性分子两性分子+溶剂溶剂+温度温度液晶相类型：层相，柱相，立方相。液晶相类型：层相，柱相，立方相。相图相图ColIsoL32
