液晶是什么有什么用？

LED电视实际上也是液晶电视的一种

相信大部分人想到的都是液晶电视，液晶腕表等等用于显示的液晶产品。

但是，液晶作为一个主要的材料学观点，其内涵远不止如此大略，本文将带你粗略地理解什么是液晶，液晶有什么用。

本文框架：先先容什么是液晶，再解释液晶的分类和独特性子，末了再举几个液晶的经典运用实例以及比较新的研究成果。

被标题忽悠进来的朋友可以直接翻到后半部分，不过还是建议耐心看完前面的先容。

什么是液晶？

常日，固体加热后温度到达熔点就会变成透明的液体。
然而，有些分子构造分外的物质不是直接从固态变为液态的，而是经历了一个中间态，这便是液晶，正如下图中所示：

液晶是液态吗？

液晶的外不雅观是具有一定流动性的浑浊液体，但不能仅据此说其为液态，由于液态是各向同性的，即在xyz三个方向上物理性子相同。
比如一杯茅台无论从什么方向测导热系数都是一样的，折射率也没有差异。

左面两个是各向异性的，排列很有规律

液晶是固态吗？

作为流动的物质，液晶却具有各向异性晶体所独占的双折射征象，比较于液体，这是部分固体的独特性子，即液晶作为一种液体，却具有了固态晶体才有的物理特点。

但是又不能说液晶是固态，由于液晶是明显可以流动，比较固态险些难以不雅观测的流动性，液晶的流动性太强了。

一束振动方向不同的光在通过各向异性固体后分为两束光

液晶是什么？

正如最前所述，液晶既不能被定义为液态，也不能被定义为固态，液晶是一种中间态，液态（liquid）的外面＋晶体（crystal）的内在便是我们的主人公液晶（liquid crystal）。

液晶紧张是由不完备周期性排列的长棒状或扁平状分子组成，这些分子可大可小，可以是液晶电视里的那种小分子，也可以是凯夫拉纤维里的高分子液晶。
无论多大，它们都是液晶。
液晶强调的更多是构造上的观点。

液晶的棒状构造，既有序又无序

判读是不是液晶的关键是能不能在溶液或熔体中自组装成部分取向的构造，有没有双折射性能，流动性好不好。
宏不雅观上的表征可以用偏光显微镜，X射线衍射等。

不同液晶的光学性子截然不同，可以用光学性子来区分到底是哪一种液晶。
这是之后运用液晶的主要根本。

偏光显微镜下不雅观察的胆甾型液晶

科学家总习气给东西分类，这表示了一种归纳的思想，让繁琐的事物变得大略，创造事物的共性和客不雅观规律。
往冰箱里放东西也是这样，串了味儿就不好了。

比如爱因斯坦“整洁”的桌子

自从19世纪初创造并定义液晶以来，已经有数万种液晶化合物被确定，有必要理一下这几万种液晶的归属，方便之后谈论性子。

液晶的分类

目前对液晶的分类紧张有两个依据：怎么来的和长啥样。

怎么来的

从液晶的获取来源不同紧张可以分有两种：温致液晶和溶致液晶。

之前有说固体升温到液态过程中会有作为中间态的液晶涌现，实际上有些液晶的涌现是从相对高温的液态降温成固态时涌现液晶这一中介相。
这种靠升降温来制备液晶的方法叫温致液晶。

比如天下上第一个被创造的液晶物质胆甾醇苯甲酸酯就属于温致液晶。

除了升降温，液晶还可以靠往溶液中加入一定的溶剂，使固体物质溶解，在一定浓度范围内，为了使体系自由能最低，溶解后分子自组装成具有局部有序却能流动的液体。

这便是溶致液晶。
溶致液晶和生物体关系巨大，后文会先容。

大分子在得当浓度下能自组装成互异的有序构造

实际上除了温致液晶和溶致液晶，还有通过加外力的办法毁坏原来溶液等分子构造，使分子链从较为卷曲变得伸展，之后伸展的高分子链会通过链间成键而非链内成键的办法形成比较稳定的取向构造。
即流致液晶和压致液晶。

这个事理和晃一晃番茄酱更随意马虎挤出来的事理类似。

剪切力浸染下氢键断开，分子链开动更随意马虎，番茄酱更随意马虎挤出来

长啥样

从获取后液晶内分子排布的种类来分紧张有三种：近晶型，向列型，胆甾型。
直接看图：

近晶型是最靠近晶体的有序构造的，看名字大概就能猜出。
近晶相由多层构成，一层近晶型液晶的分子排列办法很像烟花，这一层层烟花沿长轴方向堆叠起来便是近晶型液晶的微不雅观构造了。

一层烟花中液晶分子沿纵向排列，跟窜天猴一样

向列型液晶的就像把近晶型液晶中规整的层间构造连续打乱，液晶分子只是相互平行，沿分子长轴方向没有明显的“层”的界线。

比较近晶型，向列型排列更为无序，在外界环境的浸染下分子更随意马虎产生空间位置上的变革，这和液晶显示屏的关系巨大，后文会先容。

基本沿一个方向取向，但是不足规整

胆甾型液晶也是分层的，每一层的分子都有一定取向，是有序的，而层与层之间的取向方向是不相同的，是无序的，这些层堆叠起来就成了胆甾型液晶。

层间隔p/2位相相同

以上先容了液晶的定义和分类，液晶的独特性子担保了它们的实际运用，接下来将是本文的重头戏：液晶的性子和运用。

液晶无处不在生物体

某种程度上可以说，很多生物组织的有序构造是由液晶构成的。

比如很多蛋白质，核酸，脂质等在得当的浓度范围内，可以在溶液中自组装成液晶，这便是前面提到的溶致液晶。

DNA的分子内氢键（彷佛最近有项研究指明分子内疏水浸染对DNA构造才是紧张浸染）

早前的研究认为细胞膜的磷脂双分子层是固体，但是这种模型在阐明有些问题时会乏力，比如红细胞为何除了双凹圆碟型以外还能在毛细血管里变成靴子型，在生物力学上阐明不通[1]。

以是有学者开始将磷脂双分子层视为液晶进行处理，根据液晶曲率弹性理论建立起来的液晶生物膜力学模型运用到实际问题的剖析中后，可以较好的阐明红细胞膜以及其他生物膜的各种问题。

二十多年前欧阳院士算出来的甜甜圈细胞

干系研究有很多，网红院士欧阳钟灿就一贯致力于生物液晶的理论研究，他考虑到生物膜的液晶性后利用数学和物理的手段算出了一个从没被创造的生物膜的形状[2]。

故意思的是，几个月后，法国的干系研究职员就在实验中创造了这种全新形状的生物膜[3]。

a图是侧面，b图是顶视图。
恰好对应欧阳院士解出的形状

液晶的观点在运用于生物体后不仅可以在理论上阐明一些征象，还可以在实践中给生物医学供应办理问题的方法。

由于癌症部位代谢兴旺，散热更多，以是温度比正常其他组织温度高。

记得我们之前说过的温致液晶吗？实际上很多液晶都对温度敏感。
有科学家将精确配置的胆甾型液晶涂在待查部位，温度升高会导致胆甾醇面间距变革，从而使发生布拉格衍射的光波长变革，从而大概判断哪里须要切除[4]。

实际上这样利用液晶和光子晶体在外界条件下发不同色光的事理一样，都是周期性参数的改变

凯夫拉纤维

凯夫拉（Kevlar）纤维又称聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。
由于其高强度，低密度的特点，已成为防弹衣等军事用品的首选。

射在凯夫拉防弹衣上的九毫米子弹

由于大量的苯环和酰胺存在，分子间随意马虎发生-堆叠（苯环）和氢键（酰胺），即凯夫拉纤维在纺丝前的酸溶液中很随意马虎自组装成取向构造[5]，这便是之前所述的溶致液晶。

虚线是分子间氢键，苯环分子链刚性大，易伸直

在纺丝后，凯夫拉纤维能担保极高的取向程度，合营着分子内存在大量共轭构造，电子云均化程度高，强度自然提高。
比较较地，橡胶软的一大缘故原由便是分子链取向程度不高。

液晶电视

电视紧张是为了给人看的，那么电视能不能发光，如何选择性地发光就很主要。

首先，先说一下偏振片和偏振光。

光作为一种电磁波，它因此正弦振动的办法传播，单个正弦函数是二维的，自然光便是这么一堆不同位相的平面结合起来的。

就像把一本书翻开一样，一页页书便是不同平面的电磁波，让一本翻开的书沿轴向飞便是自然光在传播。

偏振光就像一页书，或者几页大小不太一样但是方向一样的纸张，偏振片便是百叶窗。

只有当这页书的方向恰好和百叶窗的缝隙一个方向时，书（偏振光）才能通过百叶窗（偏振片）。
其他方向的书页都会被百叶窗拦截掉。

在液晶显示这一详细场景下，光从背光源发出，经由偏振片，自然光被过滤成了偏振光。

当偏振光经由被配向膜特意取向的液晶后，光的偏振方向被生生旋转了90，之后通过另一个偏振片（这个偏振片方向和第一个相互垂直），光正常射出。

定向层便是配向膜，卖力预先给液晶分子取向

由于液晶分子有在外电场浸染下产生感生偶极的趋势，即在外电场浸染下，分子内正负电荷中央不重合，分子取向产生迁徙改变，于是液晶分子排列模式发生变革。

图中长是非短的液晶是由于不雅观察方向导致的（配向膜的缘故原由），实际上基本一样长

如果在两板间加电压，之前被配向膜取向的液晶立时规复向列型的排列，这时，经由下偏振片的偏振光不经旋转直接出射到另一偏振片。
但是这个振动模式的光无法穿过这个偏振片，那么人就看不到这束光了。

和上面相同的图，方便手机阅读

以上先容的紧张是黑白液晶电视的显像机理，重在有没有光通过，而不是选择通过的光的波长（颜色），实际上对付彩色液晶电视，事理大同小异，都是利用液晶分子对外界电场的反应实现对光的各种参数的调控。

三原色发光机制

稠浊色的产生

还有一种铁电型液晶显示，反应速率比向列型快很多，紧张缘故原由是这种液晶自身就有电偶极矩，可以自发极化，在外电场浸染下可以直接迁徙改变，无需先在分子内先产生感生电场后再被外电场旋转位相。

有无外电场对极化分子的影响

其余，我们熟知的LED电视事理也是类似，只不过LED电视的光源是LED而已。

液晶的材料学研究前沿

现在对液晶的材料学运用研究紧张集中于两点：直接拿液晶办理问题或者仿造液晶的构造间接得到液晶的上风。

直接用：生物学研究的“放大镜”

液晶作为一种中间态对外界环境的变革十分敏感，构造上的改变会带来光学性子的改变，通过剖析液晶的光学性子就可以间接地表征生物对液晶的影响，从而实现生化传感。

可以看出显微图像中有灰色的光

比如在这项研究中[6]，科学家们先制备了一些储存液晶的容器，注入液晶后再把偏振光自下而上发射，部分偏振光通过较为无序的液晶后偏振方向会改变，从而在到达下一个偏振片时有光芒射出。

LPS是两亲性物质，脂多糖，细菌细胞壁提取的

之后，他们在液晶表面加入了一些两亲性聚合物，这些链段会促进液晶呈向列型排列，还记得之前说的液晶电视的事理吗？这时偏振光没法被旋转，抵达下一个偏振片就检测不到光芒的射出。

在加入细菌后，细菌细胞壁上的脂多糖就会和加入的两亲性物质反应，从而毁坏这些聚合物对液晶的规整排列浸染，此时，偏振光又会被偏折，从而通过下一个偏振片，通过检测光的强度就能表征细菌的浓度。

间接用：液晶增韧树脂

环氧树脂是一种得到广泛运用的热固性树脂，但是为了使树脂得到更稳定的性能，每每对其进行交联，就像硫化橡胶一样。

交联后的环氧树脂脆性大，冲击韧性差，以是提高它的韧性便是很主要的任务。

不少地面便是用环氧树脂涂的

有学者想到将环氧树脂按照热致液晶的办法制备，得到拥有有序区和无序区并存，而非三维均匀无序的树脂[7]。

由于有序区和无序区并存，当材料内部毛病在外力的浸染下运动到有序区时，须要战胜较大的能量才能超越，即延缓了裂纹拓展，防止树脂脆性断裂。

柠檬色的椭圆是局部有序构造

类似地，还有利用壳聚糖内氢键浸染（形成液晶）制备药物缓释载体的研究[8]。
过几期单独先容一下壳聚糖这个来源于小龙虾的神奇材料，延续更新“美食→生物质料”系列。

美食→生物质料｜大豆和再生医学

美食→生物质料｜菠菜和光动力抗癌

课题组师姐之前做的壳聚糖载药海绵，有一定的缓释性能

结语

从构造上来看，液晶既没有固态那么有序，又没有液态那么无序，液晶分子在溶液或熔体种自组装成即有序又无序的构造，无序与有序共存达到了液晶的和谐。

这种美好丰裕着你我的身体和生活。
作为有序和无序的结合体的我们继续了这种美好又“自组装”成了这个天下。

从生物体到凯夫拉纤维再到液晶电视，我相信液晶带给来的思考还会被一代代人传承并发扬下去。

参考文献

[1] 生物力学, 冯元桢, 科学出版社, 1983.

[2] Phys. Rev. A, 1990, 41, 4517.

[3] Phys. Rev. A, 1991, 43, 4525.

[4] 生命的化学, 2017, 37, 381-385.

[5] Supramolecular Chemistry, Self‐Organization and Self‐Assembly in Liquid‐Crystalline Materials, John Wiley & Sons, 2012.

[6] Biosen.＆Bioelectron., 2016, 80, 161–170.

[7] Adv. Funct. Mater., 2005, 15, 1877-1882.

[8] Eur. J. Pharm. Sci., 2016, 91, 144-153.

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