液晶的性質(zhì)與功能

液晶的性質(zhì)與功能

廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、國防、軍事、光學(xué)通信等高科技領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)相下的物質(zhì)不僅具有液體流動(dòng)性和連續(xù)性，而且還具有晶體分子結(jié)構(gòu)的序列和各向異性。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了光、電、磁等物理特性，并決定了該模型在計(jì)算機(jī)表現(xiàn)方面的獨(dú)特應(yīng)用。本文就液晶織構(gòu)和液晶性質(zhì)的表征等方面進(jìn)了具體的介紹。1膽哌醇苯甲酸酯類液體液晶(LiquidCrystals),被稱作為物質(zhì)的“第四態(tài)”,是一種介于各向異性晶體和各向同性液體之間的有序流體,所以又叫介晶相(Mesophases)。液晶最早是由奧地利植物學(xué)家Reinitzer于1888年發(fā)現(xiàn)的。他在測定膽甾醇苯甲酸酯的熔點(diǎn)時(shí),發(fā)現(xiàn)該有機(jī)物在145.5℃,熔化成一種霧濁的液體,然后經(jīng)歷一個(gè)不透明的呈白色渾濁液體狀態(tài),繼續(xù)加熱到178.5℃會變成清亮的液體并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤,繼續(xù)加熱到某一溫度會變成透明清亮的液體。第二年,德國物理學(xué)家Lehmann使用附有熱臺的偏光顯微鏡對該有機(jī)物進(jìn)行了觀察并得出結(jié)論:這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體,但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性,于是Lehmann將其命名為“液態(tài)晶體”,這就是關(guān)于“液晶”,的首次報(bào)道。2巖相色顯示材料液晶是介于液態(tài)和晶態(tài)之間的一種物質(zhì)狀態(tài),既具有液體的流動(dòng)性,又具有晶體的各向異性。它有不完全的取向長程有序和位置有序。圖1給出了液晶的相態(tài)變化圖,如圖所示,T1為熔點(diǎn)(mp),T2為清亮點(diǎn)(cp),在T1-T2之間為液晶相區(qū)間。液晶態(tài)是熱力學(xué)穩(wěn)定的中間相態(tài),而不是介穩(wěn)態(tài),因?yàn)樵谙嘧儠r(shí)有嚴(yán)格確定的焓變(ΔH)和熵變(ΔS)。液晶獨(dú)特性質(zhì)在于它對各種外界因素如熱、電、磁、光等的微小變化都非常敏感,使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,其功能也發(fā)生相應(yīng)的變化。液晶的這一特性在顯示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,使信息時(shí)代成為現(xiàn)實(shí)。液晶作為顯示材料具有驅(qū)動(dòng)電壓低、微功耗、靈敏、準(zhǔn)確、安全、平板顯示、器件大小可變、在明亮環(huán)境下可讀等突出優(yōu)點(diǎn),而且可以和大規(guī)模集成電路一體化。因此,研究液晶特征與其分子結(jié)構(gòu)及外力作用之間的關(guān)系,對合成有實(shí)用價(jià)植的新型液晶材料有重大意義。3海水淡化系統(tǒng)的分類液晶的分類可以按照不同的方式。根據(jù)形成的條件和組成,液晶大致可分為熱致型液晶(thermotropicliquidcrystals)和溶致型液晶(lyotropicliquidcrystals)兩大類。前者呈現(xiàn)液晶相是由溫度引起的,并且只能在一定溫度范圍內(nèi)存在,一般是單一組分。后者是由符合一定結(jié)構(gòu)要求的化合物與溶劑組成的液晶體系,由兩種或兩種以上的化合物組成。溶致型液晶在生物系統(tǒng)中大量存在,即通常所說的生物液晶。按照液晶物質(zhì)的分子量大小,液晶可以分為小分子液晶和高分子液晶。而高分子液晶根據(jù)介晶基元在分子中的分布以及主鏈的柔性又可以分為主鏈型高分子液晶和側(cè)鏈性高分子液晶等。4織構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)液晶的物理結(jié)構(gòu)主要是指組成分子在空間的排列。液晶織構(gòu)的研究也是物理結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容。在晶體學(xué)中,所謂織構(gòu)是指多晶體中微晶的形狀、尺寸和取向特征,常用偏光顯微鏡和電鏡照片加以說明。不同類型的液晶可以觀察到不同的織構(gòu)。4.1偏光顯微結(jié)構(gòu)向列相液晶又稱絲狀相液晶,簡稱為N,向列相液晶的分子具有長程取向有序,局部區(qū)域的分子趨于沿同一方向排列。兩個(gè)不同排列的取向區(qū)的交界處,在偏光顯微鏡下顯示為絲狀條紋。其常見的織構(gòu)有絲狀、紋影狀、微滴狀、大理石狀織構(gòu)等。4.2膽哌相聯(lián)合織構(gòu)的結(jié)構(gòu)膽甾相液晶簡稱為Ch,有時(shí)也叫螺旋狀液晶。膽甾相與向列相的差別在于分子的排列取向沿著一條螺旋軸螺旋式的變換方向,形成了一維螺旋結(jié)構(gòu)。膽甾相液晶的分子也是長程取向有序的。在各向同性液體和膽甾相之間溫度在量級為0.1~1.0K的范圍內(nèi),可以在一些膽甾相液晶中觀察到藍(lán)相。藍(lán)相是膽甾相特有的一種織構(gòu)。此外,膽甾相液晶還有平板木狀、扇狀、指紋狀、血小板狀等常見的織構(gòu)。4.3近晶相結(jié)構(gòu)近晶相液晶也稱為層狀相液晶,近晶相的種類很多,其有序性各異,形成的織構(gòu)也各不相同。目前,最少提出了14種不同的近晶相,分別為近晶A相,B相,C相,…K相(分別用SA,SB,SC,…,SK來表示)。近晶相分子傾向于沿指向矢方向取向,并以層狀排列,更多的分子傾向于位于相隔一定間距的平面上,只有少量的分子位于這些平面之間。所以近晶相分子除具有取向有序外還有一些位置有序。由于對近晶相的認(rèn)識還在深入和發(fā)展,隨著時(shí)間的推移,對近晶相結(jié)構(gòu)的歸納還要修正。近晶相常見的織構(gòu)有焦錐、扇狀、紋影狀、大理石紋狀、星形、鑲嵌扇狀等。4.4盤狀分子的熱膨脹聚合體圓柱型液晶是印度學(xué)者S.Chandrasekhar等第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的。組成圓柱的分子通常具有盤子一樣的形狀,因此這類液晶又稱為盤狀液晶(discoticliquidcrystals)。盤狀分子的中心通常具有苯環(huán)或其它芳香環(huán)結(jié)構(gòu),周圍有一些“尾巴”,這些“盤子”象硬幣那樣重疊起來,于是形成一束束分子柱,然后分子柱排列成二維織構(gòu),由此可形成很多新的相態(tài),這些相態(tài)不能簡單歸為向列相或近晶相,而把這些相態(tài)稱為柱狀相。柱狀相中分子柱之間的排布形成單重熔化態(tài),在與柱體平行的方向上容易發(fā)生剪切流動(dòng)。由盤狀分子相互堆積成的分子柱可以在外界電場、磁場中自組裝形成具有六方對稱或矩形對稱的柱狀分子聚集體,表現(xiàn)出光學(xué)各向異性。圖2表示出了不同液晶相態(tài)結(jié)構(gòu)的分子排列。5邵氏性能液晶態(tài)的基本表征手段有偏光顯微鏡(具有熱臺)法,差示掃描量熱法和X-射線衍射法。5.1光學(xué)顯微法:雙折射現(xiàn)象中的織構(gòu)偏光顯微鏡(POM)往往被作為表征液晶態(tài)的首選手段。利用偏光顯微鏡可以研究溶致液晶態(tài)的產(chǎn)生和相分離過程,熱致液晶物質(zhì)的軟化溫度或熔點(diǎn),液晶態(tài)的清亮點(diǎn),各液晶相之間的轉(zhuǎn)變,液晶體的光性質(zhì),以及液晶織構(gòu)和取向缺陷形態(tài)學(xué)問題。由于液晶分子的取向排列,使得液晶具有光學(xué)各向異性,例如雙折射現(xiàn)象。所謂雙折射現(xiàn)象是指在液晶中不同方向的光具有不同的傳播速度,正是由于液晶有雙折射現(xiàn)象,所以在正交偏光顯微鏡下能觀察到它具有一定的織態(tài)結(jié)構(gòu),簡稱織構(gòu)(texture)?？棙?gòu)一般是指液晶薄膜(厚度約為10~100μm)在光學(xué)顯微鏡特別是正交偏光顯微鏡下用平行光系統(tǒng)所觀察到的圖象,包括消光點(diǎn)或者其它形式消光織構(gòu)的存在乃至顏色的差異變化等等。一個(gè)理想的結(jié)構(gòu)均勻的樣品只能給出單一色調(diào)而無織構(gòu)可言。我們更關(guān)心的是分子或介晶基元排列中的平移缺陷(位錯(cuò))和取向態(tài)的局部缺陷(向錯(cuò)),以及因位錯(cuò)、向錯(cuò)而產(chǎn)生的織構(gòu)特征。厚薄的差異,異物的雜入,表面的存在以及表面性質(zhì)的不均勻等,都可以導(dǎo)致位錯(cuò)和向錯(cuò),并因此產(chǎn)生不同的織構(gòu)。常見的有絲狀織構(gòu)(threadedtexture)、紋影織構(gòu)(schlierentexture)、焦錐織構(gòu)(focalconictexture)等。因此,這一方法也可用來辨別相態(tài)的類型。圖3列出了一些典型的液晶相態(tài)織構(gòu)圖。5.2dsc圖分析差示掃描量熱法(DSC)是研究任何有熱效應(yīng)產(chǎn)生的物理或化學(xué)變化過程的有力工具,從固態(tài)熔化到各向同性液體之間可顯現(xiàn)多種相態(tài)的變化。相態(tài)變化的同時(shí)會伴隨著一系列熱效應(yīng)和有序程度的變化,如焓變和熵變,表現(xiàn)在DSC圖上為吸熱或放熱峰。在升溫過程中,有序度高的相態(tài)一般先出現(xiàn),因而相轉(zhuǎn)變峰的出現(xiàn)次序一般為:結(jié)晶到有序結(jié)構(gòu)的近晶相,有序結(jié)構(gòu)的近晶相到無序結(jié)構(gòu)的近晶相,近晶相到向列相,最后是向列相到各向同性的液態(tài)。另外,各種相變的熱焓具有大概的數(shù)值范圍,一般說來,近晶相有較高的有序度,其焓變值較高,一般在1.5~5.0kcal/mol,而向列相僅有0.3~0.8kcal/mol。因而,也可以根據(jù)熱焓值的大小來大概判斷液晶的相態(tài)類型。5.3衍射作用在不同層間距的樣品中的應(yīng)用X-射線波長小于原子間距和分子間距,但又基本屬于同一數(shù)量級,可用于了解原子和分子的堆積排布以及這種排布的有序程度等信息。包括高分子在內(nèi)的物質(zhì)的各種液晶態(tài),其分子排布和有序程度的類別都可利用X-射線衍射方法進(jìn)行研究。其作用是偏光顯微鏡和DSC等方法所不能替代的。粉末樣品的衍射可分為內(nèi)環(huán)(小衍射角)和外環(huán)(大衍射角)兩種。內(nèi)環(huán)代表的是較長的層間距。外環(huán)衍射則與鄰近分子間的排列相關(guān)聯(lián),衍射環(huán)的圖形(銳鈍)可以定性地表征樣品的有序性,有時(shí)由于多晶和無定形結(jié)構(gòu)存在,X-射線的衍射峰態(tài)彌散,以致于不能很好的鑒別液晶的相態(tài)。一般來說,近晶相液晶的X-射線衍射圖樣在3~5℃布拉格角的范圍內(nèi)有尖銳的峰,說明分子具有較規(guī)整的層狀排列。如在10~30℃范圍內(nèi)還有環(huán),說明分子層中的排列是有規(guī)則的,即屬于有序結(jié)構(gòu)的近晶相。反之,如果環(huán)是彌散的,則表面在層中分子的排列不規(guī)整,屬于無序結(jié)構(gòu)的近晶相。對于向列相液晶,則主要在大衍射角的范圍內(nèi)有亮環(huán)或彌散環(huán)。6聲、熱、磁轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用由于液晶具有晶體分子排列的有序性和光學(xué)各向異性等性質(zhì),其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了其具有獨(dú)特光,電,磁等與眾不同物理和