液晶，它到底是什么？
——电子与电气工程系副教授刘言军、罗丹
“某些物质在熔融状态或被溶剂溶解之后，尽管失去固态物质的刚性，却获得了液体的易流动性，并保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态，这种由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体”称为液晶。这是液晶的科学释义，听上去似乎专业难懂，通常我们谈到液晶，首先想到的就是液晶电视，那么液晶到底是什么呢？从字面意义上看，液晶是一种液态晶体。它虽然是液态，但是具有晶体的特性。
对于晶体，我们更加熟悉。生活中吃的盐、手上带的钻石戒指、以及五颜六色的宝石等等。这些晶体最大的特点就是具有固定的空间排列结构，类似于整齐划一的军人方队。
5CB液晶分子结构式
液晶的起源
而液晶更类似于一群小蝌蚪，或者一群沙丁鱼。它们看似混乱，但是它们却可以朝着一个方向游动起来。所以，液晶必定和一群个体调整方向有关。具体来说，液晶中的每个分子之间像一盘散沙，但是可以通过外部有效控制，使得所有液晶分子有一致的方向，从而让液晶光电子器件具有与众不同的光学特性。要想有这种取向的效果，可以想象，一群皮球就不太容易，拉长型的分子就相对容易。所以在分子微观结构，单个液晶分子一般都是拉长型的。
液晶首先由奥地利植物学家莱尼茨尔发现。在1888年他首先发现一种白色粉末，把它加热到某一温度可以变成乳白色浑浊液体，继续加热则变成透明液体。这种物质放在生物学家手里，除了烧来烧去，看各种变化外，分析不出个子丑寅卯。好在大家都有合作意识，莱尼茨尔后来将这种材料寄给德国物理学家莱曼。莱曼用物理学家的严谨，在偏光显微镜下仔细观察这种物质，发现这种液体可以显示五彩的图案。这种图案是由双折射引起，而双折射一般是晶体才有的性质，因此他把这种既能流动又有晶体性质的液体命名为“液晶”。液晶是介于固态和液态之间的一种中间相，因此也被称为除了固态、液态和气态之外的第四态物质。
综上所述，液晶就是一种兼具液体的流动性和晶体的各向异性的特殊物质。
液晶的光学性质
由于液晶材料具有各向异性，也就是在不同方向上，液晶的介电和光学性质也不同。在光学性质方面，当长棒型的液晶分子在一定范围内取向一致时，它就表现为一个具有双折射率的单轴晶体。具体而言，沿着不同的方向，液晶材料有不一样的折射率。
棒状液晶分子折射率椭球
光线通过不均匀介质时，一部分光会偏离原来传播方向，这种行为称为散射。当光通过不均匀介质的厚度逐渐增大时，沿直线传播的光线会越来越少。
光通过不均匀介质时发生散射现象
此时对着光线传播方向来看，很难看到对面的物体，因为光线都朝着其它方向散开了。在平常生活中也经常可以看到这种现象：当用清澈的温水来泡奶粉时，随着增加奶粉量，我们发现清水会变得越来越浑浊，这还是因为奶粉小颗粒会引起光线的散射作用。
光的散射有很多种，根据光频率的变化可具体分为两大类：弹性散射和非弹性散射。所谓弹性散射是指光的波长不会发生改变，像乒乓球一样被弹回来。而非弹性散射即指散射前后光的波长发生了改变。比如一块橡皮泥被弹回来后，其形状也会发生改变。通常我们见到的散装液晶呈乳白色，当液晶分子取向一致时，光线可轻易通过，相当于一杯清水；当长棒型的液晶分子取向不一致时，它就表现为一个散射体，就相当于加入奶粉后的液体，光线将被散射。
弹性散射与非弹性散射
在介电性质方面，液晶分子在沿其长轴和短轴上也分别呈现不同的介电常数。这个性质很重要，有了这样的各向异性，我们就可以利用外加电场，改变液晶分子的排列方向，实现对光的动态调控。
众所周知，光是一种电磁波，其电场的振动方向即为光的偏振方向。所谓偏振，指波的传播方向和震动方向不一致。这就好比一条移动的蛇，蛇的身子弯曲的方向一定与前进方向垂直。这就是偏振。我们可以用偏振片来选择某一特定方向的线偏振光。线偏振光经过另一个偏振片的透光率，取决于两个偏振片的相对方向。如果两个偏振片方向平行，则线偏振光就容易通过，透过率最大，显示为亮态；如果两个偏振片方向不平行，比如让它们垂直放置，线偏振光就会被完全阻挡，透过率为零，显示为暗态。所以，如果我们想调节光线的强弱，其中一个办法就是调节偏振片的相对方向。这种方法虽然理论可行，但是从物理上同时调节成千上万个偏振片，可是难以实践。
科学家开动脑筋，想出了更好的办法。比如，在两个正交的偏振片之间充填一些物质，让光的偏振方向发生改变，即使不调节偏振片的相对方向，也能达到让光的透过率发生显著变化。
什么物质才能胜任这项工作呢？液晶！
旋光示意图
由于液晶的光学各向异性，使得液晶分子还有一种特殊的能力。那就是旋光作用，当把液晶分子像扭曲起来，就可以改变光的偏振方向。在液晶显示中，最为简单常用的为扭曲向列型液晶模式，简称TN型。“扭曲” 二字非常贴切。大家可以想象北方炸麻花的形象。好好的一个面条，通过“扭曲”的方式变成麻花。还有另外一个简单的实验可以理解“扭曲”的含义。拿一个纸条，双手旋转“扭曲”纸条，可以让纸条两端从平行变为相互垂直。
简单地说，向列型液晶就夹在两个偏振片之间，液晶分子的排列就如同上述扭曲的纸条，从垂直方向慢慢变为水平。受到这种排列的液晶的影响，射入的垂直偏振光就会逐渐变为水平偏振的光。从图2可以看出，这个水平偏振光就能够通过出口处水平放置的偏振片，这样就会呈现亮态。
现在，液晶的另外一种能够就派上用场了。我们通过外加电压，可以使液晶分子重新排列取向，全都平行光的传播方向。这样一来，入射的垂向偏振光，其偏振方向不再发生偏转，当然就无法再通过出口处水平放置的偏振光。光被挡住后，就会呈现暗态。于是，我们可利通过简单施加电压，就能控制光线明暗。这可比调节偏振片的方向容易多了。这种功能为液晶的液晶显示等应用埋下了伏笔。
扭曲型液晶电光效应的原理示意图
如果不施加外电场，由于液晶分子的扭曲螺距远比可见光波长大得多，所以当入射线偏振光的偏振方向与表面液晶分子的排列方向一致时，其偏光方向在通过整个液晶层后会随着液晶分子的扭曲变形而被扭曲90°由另一侧射出，呈透光状态。如果在液晶盒上施加一个电压并达到一定值后，液晶分子长轴将开始沿电场方向排列，这时，90°旋光功能消失，在正交偏振片间失去了旋光作用，从而使器件不能透光。
胆甾相液晶分子结构的排列
除了上述讲的向列相液晶外，还有一种常见的液晶，那就是胆甾相液晶。胆甾相液晶的结构如图3所示。此类液晶分子呈扁平状，排列成层，层内分子相互平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。其中平行的两层之间的距离叫做螺距，长度在几百纳米，与可见光的波长处于同一个数量级。通过调节外界环境参数可让螺距发生变化，进而可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过，因而光子晶体具有波长选择的功能。
胆甾相液晶分子示意图
自然界也有许多天然的光子晶体存在，比如蝴蝶翅膀、花瓣、甲壳虫等等，利用胆甾相液晶的光子晶体特性，我们可以将部分的光反射出去，禁止其进入。在智能窗领域，主要将胆甾相液晶的反射光波段设置在红外区域，这样一来就可以阻止红外线的进入，从而实现降低室温的功能。通过其温度敏感性，可以用来测温。
不同种类液晶的结构
液晶物质是如何分类的
从成份和出现中介相的物理条件来看，液晶大体可分为热致液晶和溶致液晶两大类。热致液晶是指单成份的纯化合物或均匀混合物，它在温度变化下会出现液晶相。
溶致液晶是两种或两种以上组分形成的液晶，其中一种是水或其他极性溶剂，它在一定浓度溶液中会出现液晶相。生物膜的主要成分是类脂化合物和水，具有溶致液晶的特性。
聚合物液晶是具有复杂结构的大分子系统。有些聚合物液晶具有热致液晶的特征，另外一些又具有溶致液晶的特征。由于聚合物液晶分子结构复杂，并且不同于低分子量分子，因此目前把聚合物液晶也常单独加以考虑。
液晶相是各相异性的液相。构成各向异性液体的分子显然必须是各向异性的，在各向同性液体中分子没有固定的相对位置，虽然在一个很小的区域内由于相互作用力，分子之间的相对位置可能有一定的规则性。我们称这种情形为没有长程位置有序，但是可能有短程位置有序。在各向异性的液晶相中，液晶分子不但存在位置有序无序问题，同时还存在分子取向有序无序问题。如果从分子排列的有序性来区分液晶相，特别是对于热致液晶，它可以分为三大类：丝状液晶、螺旋状液晶和层状液晶。
丝状液晶化学家称之为向列相液晶，丝状相的特征是分子虽然没有固定的位置，但是分子的排列取向基本上取同一方向。也就是说丝状液晶虽然位置无序，但是具有长程取向有序。图1就是丝状液晶中分子排列示意图。
螺旋状液晶，化学家称之为胆甾相液晶。因为许多胆甾醇的衍生物都是螺旋状液晶。螺旋状液晶同丝状液晶的差别在于分子的排列取向沿一条轴向螺旋式地变换方向。在轴上排列取向相差2π的邻近两点间距离称为螺距。螺旋状液晶分子排列示意图见图2。另外，在丝状液晶中添加少量手征性分子也可以形成螺旋状液晶。这种材料常被称为“扭曲丝状液晶”。
层状液晶以外，常见的还有一种聚合物双稳态液晶智能窗，这种液晶智能窗与PDLC相比具有明显的优势，比如：节能、隔热等。那么聚合物双稳态液晶智能窗又是如何实现节能和隔热的呢？
对于聚合物双稳态液晶智能窗，其材料主要由胆甾相液晶和聚合物组成。接下来简单地介绍一下聚合物双稳态液晶智能窗的工作原理。
胆甾相液晶处于平面态时，智能窗呈现透明态，此时智能窗相当于普通玻璃同时还将反射红外线，降低室温的功能。当给智能窗一个低频脉冲电压时，处于平面态的胆甾相液晶分子瞬间转换为焦锥态，此时智能窗呈现为模糊状态，液晶分子在器件内部混乱排列，从而使光在器件内部散射，从而实现了模糊的功能。
图：聚合物双稳态液晶智能窗工作原理和实物图
如今，节能建筑、汽车以及医疗保健行业对智能玻璃的需求越来越旺盛。智能玻璃全球市场价值正以20%的复合增长率快速攀升，预计到2020年将达到58.14亿美元。我国在接下来的几年内，市场价值也将大幅提高。总之，液晶智能窗在建筑节能、医疗、汽车、航天领域，有望逐步升级取代现有智能玻璃技术，具有非常广阔的应用前景。
液晶其他的用途
目前，人们对液晶的研究正从显示领域扩展到光子学领域。例如，在光场调控领域，人们利用液晶技术可以很方便地产生各种性质新颖独特的结构光场，包括具有螺旋相位的涡旋光场、偏振态非均匀分布的矢量光场、振幅和相位随空间变化的艾里光场和贝塞尔光场等，这些独特的结构光场可极大地增加光所携带的信息，从而拓展光在通信、医学、生物学、天文学、军事国防、激光加工等领域的应用。
再比如，液晶具有分子小、可流动的特性，几乎与所有其它重要的光电子材料兼容，从而使得它在各种非平面结构中大显身手，其中就包括表面等离子纳米结构。研究人员已经展示了基于双频驱动液晶的表面等离子激元开关和表面等离激元彩色滤波器，利用液晶来控制表面等离激元信号有着显著的技术优点：操作和加工简单、能耗低、易于小型化和集成化，因而对于开发基于表面等离激元的光子芯片具有潜在的实用价值。
图：表面等离子纳米结构
总之，液晶的双折射、可流动等特性，使得液晶不仅能够实现对非相干光的控制，也能实现对相干光的控制，基于液晶的可调谐光学或光子学器件，有可能成为未来光电产业领域的一个新的蓝海。
液晶的分类
液晶化合物一般根据形状和性质进行分类。
根据液晶分子几何形状分类：
可以分为棒状分子，碟状分子，条状分子等，此外还有碗状分子，燕尾状分子等。
按液晶分子大小分类：
可以分为小分子液晶，高分子液晶。
按液晶态形成的方式分类：
可以分为热致液晶，溶致液晶，两性液晶。
热致液晶：这种液晶在一定的温度范围内存在，在化合物熔点以上的温度下稳定存在的热致液晶称为互变液晶；在某些情况下，液晶态只在低于熔点的温度下稳定存在，并且只能随着温度的降低才能得到液晶态，这种类型的热致液晶称为单变液晶。
溶致液晶：这种液晶是由极性化合物和某些溶剂的作用而形成的，它们存在于一定的区域内，并随浓度和温度的变化而变化。
两性液晶：在一定条件下，可形成溶致和热致液晶，如某些长链脂肪酸的碱金属盐类。
液晶的相态结构
液晶的相态结构，是由分子排列、分子构型和分子间相互作用来描述的，从化学观点来看，完全不同类型的分子可以形成相似的相态结构，液晶的相态结构通常有如下几种：
向列相、近晶相、胆甾相 三种。
近晶相液晶
近晶相液晶分子分层排列，根据层内分子排列的不同，又可细分为近晶相A、近晶相B等多种。层内分子长轴互相平行，其方向可以垂直于层平面，也可以与层平面成倾斜排列。分子质心在层内的位置无序，可以自由平移。这种排列称为取向有序，位置无序。近晶相液晶分子间的侧向相互作用强于层间相互作用，所以分子只能在本层内前、后、左、右滑动，但不能在上、下之间移动。
胆甾相液晶
胆甾相液晶是一种乳白色粘稠状液体，是最早发现的一种液晶，有一个或一个以上的不对称碳原子，由于不对称碳原子的存在，使该类液晶的结构和性质与向列相和近晶相有着很大的差别。其分子也是分层排列，逐层叠合。每层中的分子长轴彼此平行，而且与层面平行。不同层中分子长轴方向不同，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。
向列相液晶
向列相液晶由长径比很大的棒状分子组成，分子质心没有长程有序性，具有类似于普通流体的流动性，分子不排列成层，能上、下、左、右、前、后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行，分子间短程相互作用微弱。
正由于向列相液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件广泛应用的材料。
不同高分子型液晶分子结构分类
显示行业液晶的加工与应用
液晶材料分为液晶中间体、单体和成品液晶，液晶材料的生产过程往往需要几十步合成步骤，因此它的生产工艺要求很高、对纯度的要求也很高。
液晶材料在液晶显示产业链中的位置
液晶材料在制备过程中有三个主要环节：液晶中间体制备、液晶单体合成及提纯、混合液晶配制。液晶中间体主要用于液晶单体的合成，液晶单体主要用于配制混合液晶，混合液晶才能用于液晶显示面板的生产。每个阶段的化学反应过程具有间歇性、多步骤等特点。
液晶混配技术是获得混合液晶的关键技术。调配优质的混合液晶必须满足液晶显示器件的各种性能参数的要求，适应液晶显示器件工艺要求，调配过程中必须积累每种液晶化合物的物理性能数据，掌握器件性能与液晶物理性能的关系。
液晶材料的升级与进化，分子结构3D堆垒
在显示技术中，组分分子和胶体棒及圆盘赋予向列相液晶的单轴对称性。低对称性组织可以在棒和盘的混合物中形成，但熵倾向于在分子和胶体尺度上使它们发生相分离，而强弹性中介的相互作用则驱动向列相胶体中链和晶体的形成。迄今为止，低或无对称操作的结构仅是固体的一种特性，而不是全流态凝聚体的一种特性。为此，科罗拉多大学Ivan I. Smalyukh等人展示了由分子棒组成的向列主体中高度分散各向异性的带电胶体盘为观察许多低对称相提供了一个平台。根据温度、浓度和圆盘表面电荷的不同，研究人员发现向列、近晶和柱状组织的对称性从单轴到正交和单斜的转变。随着温度的升高，他们观察到从较少有序态到较多有序态和重入态的异常转变。最重要的是，该研究证明了可重构的单斜胶体向列相的存在，以及低对称性自组装的热和磁控制的可能性。
相关结果以“Thermally reconfigurable monoclinic nematic colloidal fluids”为题发表在Nature期刊上。
分子棒向列相宿主中的胶盘
相图和相的表征
正交向列相中的胶体取向顺序
单斜向列相中的胶体定向顺序
单斜晶近晶态和柱状态的序
总而言之，研究人员开发出一种软物质系统，该系统具有定向流体顺序，证明了迄今为止最低的单斜晶对称性，这是由单轴胶体和分子构建单元在中等尺度上的相互倾斜产生的。通过斜面定向分布的圆盘直接成像以及分子和胶体指向矢的倾斜排列，可以明确揭示单斜晶阶。尽管有许多固体物质，可以在单斜晶态和正交晶态之间相互转换。该工作表明，在胶体液晶流体中，也可以实现取向顺序的多个低对称性。液晶胶体的低对称向列，近晶和柱状状态可在从显示器到生物探测器的应用中以及在正交或单斜向列相变附近的拓扑缺陷研究中都有重要的用途。
