物质的状态物质由分子组成，常见的物质状态是：气态、液态和固态。 气态：具有扩散性，无固定体积、形状、有压力。 液态：具有流动性，有固定体积，无固定形状。 固态：有固定体积，有固定形状。 组成物质的分子在不停地运动，并且分子间存在着相互作用力（引力和斥力）。固体内部粒子的相互作用力最强，液体次之，气体最弱。 了解一下晶体学的知识： 液晶化学1.液晶的发展史 液晶研究已有上百年历史。早在1850年，普鲁士医生鲁道夫·菲尔绍（Rudolf Virchow） 等人就发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。 1888年，奥地利布拉格大学的植物生理学家斐德烈·莱尼茨尔(F. Reinitzer)在测定有机化合物熔点时，发现安息香酸胆固醇脂在熔化后经历了一个不透明的浑浊液态阶段，继续加热，才成为透明的各向同性的液体，这种浑浊的液体中间相具有和晶体相似的性质。 莱尼茨尔反复确定他的发现后，将这种现象告诉给晶体学家诺发斯基（Van Zepharovich），诺发斯基没办法回答他的疑问，建议他向德国亚琛大学物理学教授奥托·雷曼（Otto Lehmann）请教。3月14日，莱尼茨尔写了一封16页的长信寄给雷曼。 雷曼了解这一情况后，制造了一座具有加热功能的显微镜，去观察这些脂类化合物结晶的过程，后来还加上了偏光镜。此后雷曼对这些物质进行了系统性研究，发现了100多种类似性质的材料。他发现，这类白而浑浊的物质外观上虽然属于液体，但却显示出异性晶体特有的双折射性。雷曼证实了此中间相态具有光学各向异性，因此这种兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性的材料被称为液晶。 1913年至1922年间，雷曼多次被提名为诺贝尔物理学奖候选人，但是由于液晶研究当时还不被学术界广泛认可，所以最终还是没能获奖。1922年6月17日，雷曼在德国卡尔斯鲁厄去世，他为后世留下了物理学的一个全新篇章。可惜的是，雷曼所发现的液晶现象在当时并没有得到实际的应用，甚至几乎被遗忘了有将近六十年。 物质液晶态出现的普遍过程 胆固醇苯甲酸脂是世界上首次被发现具有液晶相的化合物，其状态随温度变化。
液晶显示技术的快速发展 20世纪20~70年代，液晶化学家合成了大量的液晶材料，主要是氧化偶氮茴香醚等；液晶物理学家对液晶的性质进行了大量的研究，如液晶相态的划分、液晶连续体理论的创立（1958年）、介电各向异性（1926~1932年）、向列相的变形和阈值（1927年）和摩擦法制备单畴液晶并研究光学各向异性。 1960~1968年，进行了液晶热图术的应用研究，即利用胆甾相（Ch）液晶的光选择性反射原理，制造了液晶温度计。 1961年，RCA公司的乔治·海尔迈耶(G.H.Heilmeir)博士提出了液晶显示原理，使应用朝向液晶平面显示器。 1968年，首次合成了室温液晶材料-MBBA。（MBBA 化学名：4-(3-甲基-2-丁烯氧基)苯甲醛。分子式 : C12H14O2 由碳氢氧三种元素组成 。显示稳定液晶状态的温度范围21~47℃。 ） 1971年，德国科学家W.海尔弗里希（W. Helfrich）在《应用物理快报》上发表了一篇两页纸的论文，提出了“扭曲丝状相液晶（TN）显示器”的原理。这篇论文奠定了今天液晶显示技术的原理，并获得首次欧洲物理学会凝聚态物理最高奖——惠普奖。 1973年后为液晶使用化和应用研究多样化时期，日本的Sharp和Seiko-Epson开发出了向列型液晶平面显示器（TN-LCD）。 1972年P.Brody提出主动型矩阵模式（AM-LCD）。 1980到1983则有铁电性液晶平面显示器。 1983到1985年发明超扭曲向列性液晶平面显示器（STN-LCD）。 1980年日立实验低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器(LTPS TFT-LCD)。 1986年IBM推出的PC convertible 5140（左图），是其第一款笔记本电脑，采用8080处理器，4.77MHz主频，256K内存，两个3.5寸软驱，内置电池，重达5.5公斤，运行DOS3.2操作系统。它采用一块640×200分辨率的TN-LCD液晶屏。1992年10月5日面市的ThinkPad 700C（右图），是IBM第一台以ThinkPad命名的笔记本电脑，采用486SL处理器，25MHz主频，16MB内存、120MB硬盘，重量达3.5公斤，运行Windows 3.1操作系统。它采用一块10.4英寸TFT液晶屏，分辨率达到VGA（640x480）水平。 1990年开始应用彩色STN-LCD到笔记本电脑上。 1991年，夏普开发了世界上第一台14英寸彩色薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)，开创了液晶显示器的历史。
2、液晶的分类 液晶是同时具有液体的流动性和晶体的各向异性的物质状态。 液晶化合物一般根据形状和性质进行分类。 2.1 液晶分子几何形状分类 （1）棒状分子：目前实用化的液晶材料，有近10万种。 （2）碟状分子：目前有大量文章发表，主要用在显示和存储技术等。 （3）条状分子：短而粗的分子。 除棒状分子、碟状分子、条状分子以外，还有其他类型的液晶分子，如碗状分子、燕尾状分子等。 2.2 液晶分子的大小分类 （1）小分子液晶：分子量较小，主要应用于液晶显示。 （2）高分子液晶：分子量较大，类似一般的高分子，主要用于高强度材料。 2.3 液晶态形成的方式分类 （1）热致液晶 （2）溶致液晶 （3）两性液晶
热致性液晶的应用——信息存储介质 首先将存储介质是固态透光的向列型液晶，所测试的入射光将完全透过，没有信息被记录。如果用另一束激光照射液晶盒，辐照的区域温度会升高，聚合物熔融成各向同性的液体，聚合物失去了有序度。激光消失后，聚合物恢复成不透光的状态，信号被记录。此时，测试光照射时，将只有部分光透过，记录的信息在室温下将永久被保存。 再加热到熔融态后，分子重新排列，消除记录信息，等待新的信息录入。因此可反复读写。 热致性侧链高分子液晶为基材制作信息存储介质同光盘相比，由于其记录的信息是材料内部特征的变化，因此可靠性高，且不拍灰尘和表面划伤，适合与重要数据的长期保存。
3. 液晶的相态结构 液晶的相结构是由分子排列、分子构型和分子间相互作用来描述的，法国晶体学家弗里德尔(Friedel)按液晶的排列方式，将其分为胆甾相型、向列相型、近晶相型:
胆甾相液晶这种特殊的分子排列方式，使其具有一系列特殊的性质： 温度上升，液晶分子螺旋排列的螺距收缩，恰好发生反射的圆偏振光的波长随之变短。因此，温度升高部分液晶的颜色向更短波长光的颜色变化。例如，在室温(20℃)时，螺旋螺距为515nm的液晶，只对大致绿色发生选择性反射。而当置于手上时，液晶温度变得与体温大致相同，如36℃，在这一温度下，螺旋螺距收缩到大约440nm，从而发生选择反射的颜色大致呈蓝紫色。 4、 由于胆甾相液晶分子的螺旋排列还使其在特定波长范围内具有圆偏振二向色，
4. 液晶的化学结构与性质的关系 只有具有分子结构各向异性的化合物才可能产生液晶相态。据统计，在全部的有机物中，能形成液晶态的分子大约占5％。一般来说，可以形成液晶态的分子要满足以下三个条件。 分子形状各向异性，分子的长径比（l/d）>4。如细长棒状、平板状或盘状。 分子长轴不易弯曲，有刚性，且为线性结构。如含有多重键、苯环等刚性基团。 分子末端含有极性或可以极化的基团，通过分子间电性力、色散力等使分子保持取向有序。
5. 分子结构影响液晶的相态 不同的分子结构可以产生不同的液晶相态，如近晶（S）相、向列（N）相等。液晶材料可能只有S相或N相，也有可能具有多种相态。 液晶分子的结构和相态的关系可应用下列理论解释，即通过分子结构中的各个基团的性质，判断液晶分子的侧向引力和末端引力的相对大小来解释液晶相态的类型。 若分子的末端引力 ＞侧向引力，易形成N相； 若分子的侧端引力 ＞末向引力，易形成S相。 下一篇我们继续讲述液晶物理。 |
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