1、液晶态,在显示应用领域及电子行业中具有很广阔的发展空间。,主要内容,3.4.1 概述 3.4.2 向列相和胆甾(zai)相 3.4.3 近晶相和柱状相 3.4.4 溶致液晶（自组装膜的有序结构） 3.4.5 聚合物的有序结构,3.4.1 概述,物质通常分为气态、液态和固态三态。它们在一定条件下可以相互转化。自然界的固体多为晶态。在晶态下，原子或分子紧密排列成晶格，其物理性质多为各向异性，有固定熔点，晶面间夹角相等。晶体熔化时由于晶格解体，出现流动性，此时的液体不再具有规则外形和各向异性特征。,一些物质的结晶结构熔融或溶解之后虽然变为了具有流动性的液态物质，但结构上仍保持有序排列，在物理性质上呈
2、现各向异性，形成一种兼有部分晶体和液体性质的过渡状态，称为液晶态,而这种状态下的物质称为液晶。,研究表明,形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构,分子的长度和宽度比很大，呈棒状或近似棒状结构.还具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的结构因素,这种结构特征常常与分子中含有对位次苯基、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系。此外，液晶的流动性要求分子结构上必须含有一定柔性部分。,如4,4-二甲氧基氧化偶氮苯：,从液晶形成的方式可分为热致液晶和溶致液晶两类。从液晶分子在空间排列的有序性不同,又有近晶型、向列型、胆甾型三种不同的结构类型。,液晶分类,热致液晶：将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子
3、的取向有序化，从而获得液晶态。,溶致液晶：将有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，从而使有机分子的排列有序，从而获得液晶态。,构成液晶态的结构单元大体可以分为四类：,1，棒状分子,2，盘状分子,3，由棒状或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物,4，由双亲分子自组装而成的膜,根据分子排列的形式和有序性的不同，液晶有三种不同的结构类型：向列型、胆甾型和近晶型 。,3.4.2 向列相和胆甾相,指向矢：经常引用矢量来描述液晶分子的排列状态，在一定温度范围内（或一定浓度范围内），液晶分子趋向于沿分子长轴方向平行排列（择优取向），这个方向被称为指向矢。用n表示。,向列相的基本特征是分子
4、倾向于沿某一特定方向排列，而其位置是杂乱无章的。,长程取向序参量S：,S=(3-1)/2,胆甾型液晶的得名，是因为最初研究的具有这种中介相特征的化合物都是胆甾醇的衍生物，这种液晶中的分子链成层状排列。,胆甾型液晶的分子呈扁平层状结构，分子的长轴与层的平面平行，层间的重叠呈螺旋状结构，且多为左旋。当不同层的分子长轴排列沿螺旋方向经历360的旋转后，又回到初始取向，这个周期性的层间距成为螺距（P）。,选择反射：将薄层胆甾相液晶注入玻璃盒内，白光照射时会看到液晶盒呈现鲜艳彩色，不同角度观察其彩色也不同。彩色还随温度改变。选择反射类似于晶体的布拉格反射。胆甾相本征螺距与可见光波长相当，故出现可见光的布
5、拉格反射。,圆二色性：材料选择吸收或反射光束的两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。若胆甾相是右手螺旋，则左旋圆偏振光入射时几乎完全透射，右旋圆偏振光则完全反射。线偏振光可分解为等强度的两圆偏振光，故一半透射，一半反射。,旋光性及色散：由于扭转分子层的作用，反射的白光发生色散，透射光发生偏振方向旋转，使胆甾相液晶具有多彩的颜色和极高的旋光本领等独特的光学性质。,入射广谱光，反射出左旋彩色光，透射右旋广谱光。,近晶相（Smectic）是所有液晶中最接近结晶结构的一类。层内分子的排列有二维有序性，分子的质心位置排列是无序的，分子只能在本层内活动。层间可以相互滑移，有一维平移序。,3.4.3 近晶相和
6、柱状相,近晶相的有序性最高，它包括：,1. 层内的二维取向性，其取向序参量S0满足：,S0=1/2（3-1）,2.层间的一维平移序，其平移序参量St满足：,St=,近晶相分为两类，一类是近晶A相，分子的取向与层面垂直，另一种是近晶C相，分子的取向按照特定角度与层面倾斜。,柱状相液晶中，盘状分子呈一叠叠的柱体，具有六角形的结构。并具有二维的平移序，如下图所示：,液晶的相变,3.4.4 溶致液晶 (自组装膜的有序结构）,构成溶致液晶的结构单元是双亲分子膜,本文以肥皂液为例，对两亲分子及自组装过程进行分析。肥皂(学名月桂酸)液分子是一种典型的两亲分子。它含由一个钠原子和一个羧基键合形成的极性头部基团
7、,和一个由碳氢链组成的非极性尾部基团(图1.a)，它的通用符号如图1.b。,现将两亲物质与水混合。当溶液中两亲分子量少时，由于混合熵效应，两亲分子一般分散于水中，但有聚集倾向和趋于液面或器壁的倾向。随着溶液中两亲分子浓度增加，由于和水作用能的影响，两亲分子将克服混合熵跑到溶液表面或容器壁以避免碳氢尾巴和水接触，当两亲分子浓度达到某一临界值(CMC)时，一种叫作胶束和泡的结构就会出现：两亲分子头部向外。伸到水中，分子尾部团聚，形成球形胶束结构：或者其中两层两亲分子形成一个里外都是水的壳泡结构。如图2所示。,两亲分子构成胶束时，液相呈现各向同性。胶束的大小和形状一般不定，和周围液体中杂散的两亲分子
8、保持统计的平衡。若在一定的温度下，增加溶液浓度最终将导致一系列溶致液晶的出现。,两亲分子形成的液晶相一般有六角相，立方相和片状相。两亲物质的浓度一般达50左右时，胶束会结合起来形成较大的结构，呈现液晶相，这样的相叫六角相. 当浓度进一步增加时，就会形成另一种常见的片状相结构.在浓度处于六角相和片状相之间时，有时会出现一种不常见的立方相.,溶致液晶的研究属于当前研究中比较热门的软物质（指处于固体和理想流体之间的复杂物质）的自组装范畴。构成这种物质的结构单元介于宏观与微观之间，在微观是无序的，但在宏观上可以形成稳定的双亲界面和液膜。在很多领域可以找到应用。,液晶的性质,1.电光效应 动态散射：把某
9、种向列型液晶放在两个特定的电极之间（电极间距离约为10微米），逐渐增加静电压。电压不是很大时（1V左右），液晶对光仅仅进行镜面反射。当电压增大到某一阈值时（5V左右），液晶在光的照射下会出现明暗相间的条纹。电压继续增大，到达另一阈值时，液晶会对光进行漫反射。,2.热效应 向列型液晶的折射率的各向异性随温度升高而降低。 温度的改变能使近晶型液晶的光轴方向发生变化。 3.其它性质 液晶的其他性质还有压电效应、光化学效应、光生伏特效应等。,3.4.5 聚合物的有序结构,很多高分子材料具有取向结构，聚合物的取向结构是指在某种外部条件作用下，分子链或其他结构单元沿一定方向择优取向排列。分子链的择优取向有
10、利于高聚物的结晶，但结晶区域一般不超过40%，总是晶化区和无规线团区共存。,施加外力可以使高分子择优取向，如定向结晶，定向加工，高分子溶液脱溶。在外力作用下，无规的高分子线团将沿长轴方向排列成一束束纤维并部分结晶，表现出优异的力学和物理性能。,聚合物液晶化是制备高强度聚合物材料的有效途径。在液晶态下，高分子链沿一定方向排列，由于高分子中C-C键是强健，如果沿这个方向排列，则该方向将有很高的强度。如聚酰胺分子在浓硫酸中形成液晶态，从中脱溶后形成纤维，其强度超过了钢琴弦的强度。,3.3.1节中已经提到了嵌段共聚物，即聚合物的长链分子是由性质不同的几段所构成。现在考虑最简单的情况，即由A、B两段所构
11、成的二嵌段共聚物。由同类分子构成的链段形成了介观尺度上的有序结构，如图3-32所示：,枝状聚合物：从一定的中心出发，形成多重 分支的结构。是一个尚待开发的领域。,高分子材料虽然已经获得了广泛的应用，但近年来对嵌段共聚物、枝杈聚合物的研究表明，通过对高分子材料的介观结构的剪裁，可以设计和制备出性能优异的新型高分子材料，因此蕴藏了巨大的研究和应用价值，尚有待于人们进一步发掘。,液晶的应用,本世纪70年代以来，液晶已被广泛的应用到许多尖端新技术领域中。例如：电子工业的显示装置；化工的公害测定；高分子反应中的定向聚合；仪器分析；航空机械及冶金产品的无损探伤和微波测定；医学上的皮癌检查、体温测定等。随着科学的发展，相信会制造出更多的有利于社会发展的液晶材料。,谢谢大家！,
