「液晶分子」液晶材料详解（液晶材料的升级与进化解析）

今天，神州网给大家普及下关于「液晶分子」液晶材料详解（液晶材料的升级与进化解析）的知识。

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（Friedrich Reinitzer）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（Otto Lehmann）。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（具体工艺要比这个复杂得多），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（比如温度）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（丝状相）、螺旋状液晶（螺旋状相）和层状液晶（层状相）。

丝状液晶（N相液晶）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（左右不对称具有旋光性的分子）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（S相液晶化学家称之为近晶相液晶。这类液晶的特点是分子趋向于沿同一方向排列，但是又分裂隔离成一个一个的分子层。层状液晶在它的发展史上一直是用它们在偏光显微镜下所呈现的结构以及它和已知层状液晶的可混性来认证分类的。按照这种编年体的分类，目前最少已经有了11种层状液晶，分别命名为SA、SB、SC、…、SK。由于层状液晶具有层状结构，因此分子除具有长程取向有序外还有一定程度的位置有序。也就是说分子只能处于各个分子层当中而不能处于分子层与分子层之间。图3给出了层状A相和层状C相中的分子排列示意图。在一些层状液晶中，还可能有长程键取向有序。所谓长程键取向有序状态是指晶体空间结构失去了平移有序，但是保持着由分子相互作用引起的取向各向异性的状态。

液晶的光电特性

液晶学是一门综合性的边缘学科，它涉及物理、化学、生物等多门基础学科。作为一种新材料，液晶愈来愈广泛地得到应用。作为一种凝聚态物质，液晶的特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间，是有序性的流体。从宏观物理性质看，它既具有液体的流动性、粘滞性，又具有晶体的各向异性，能像晶体一样，产生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应，也能在外场作用下，产生热光、电光或磁光效应。现在，液晶技术已被广泛应用于各个技术领域，例如在电子显示装置、化工的公害测定、高分子反应的定向聚合，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，体温测量等方面。

液晶的电光特性

1.液晶的双折射现象

液晶的重要特性之一，就是像晶体那样，因折射率的各向异性而发生双折射现象。单轴晶体有两个不同的主折射率，分别为O光折射率n0 ，e光折射率ne，因折射率的各向异性，导致液晶的双折射性，从而呈现出许多有用的光学性质。如能使入射光的前进方向偏于分子长轴方向，能够改变入射光的偏振状态或方向，能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射，这些光学性质，都是液晶能作为显示材料应用的重要原因。

2.电控双折射效应

对液晶施加电场使液晶的排列方向发生变化，因此，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射的现象。

这一效应说明，液晶盒的光轴可以由外电场改变，光轴的倾斜随电场的变化而变化，因而两双折射光束间的位相差也随之变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。因此液晶具有远比晶体灵活多变的电光性质。

3.动态散射

当在液晶盒两极上加电压驱动时，因电光效应，液晶将产生不稳定性，原来透明的液晶会出现一排排均匀的黑条纹，这些平行条纹彼此间隔数10微米，可以用作光栅。进一步提高电压，盒内不稳定性加强，出现湍流，从而产生强烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明了。断电后，液晶又恢复透明状态。这就是液晶的动态散射。它是由于液晶性质相反的介电性和导电性竞争的结果。如果其介电各向异性为负，在电场作用下要垂直于电场排列；若导电各向异性为正，则要沿着电场排列。在少量杂质的参与下，就出现了复杂的不稳定现象。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要依据。

4.旋光效应

在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕与它们互相垂直的轴相对扭转一个90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。在这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行，在不施加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转90°。因而光进入检偏片时，由于偏振光轴互相垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态。增加外加电压，超过某一电压时，外视场呈亮态，由此可得黑底白像。若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得白底黑像。

5.宾主效应

将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢方向排列。在电压为零时，染料分子与液晶分子均平行基片排列，对可见光有一吸收峰，当电压达到某一值时，吸收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。可见，用外加电场就能改变液晶盒的颜色，从而实现彩色显示。由于染料少，且以液晶方向为准，故为“宾”，液晶则为“主”，故得名“宾主”效应。

前面介绍的电控双折射、旋光效应等都可以实现彩色显示。实际上，几乎胆甾相液晶的所有性质都可以用来实现彩色显示。

液晶显示技术应用

按显示方式不同，可分为静态驱动和多路传输驱动的TN显示方式用液晶、DS显示方式用液晶。ECD显示方式用液晶及GH显示方式用液晶等。按用途不同，可分为需要宽工作温度和宽保存温度的显示元件用液晶、低电压工作显示元件用液晶、快速显示元件用液晶、广角可视显示元件用液晶以及温度影响很小的显示元件用液晶等。

一般使用的液晶显示器件，有段型和矩阵型两种。段型显示组装时将安有段电极基片和安有公共电极的电极基片相向放置，四周密封，组成一密封液晶盒。一般的液晶分子，具有按电极基片的表面状态排列取向的性质，液晶材料因其材料种类不同，而有一定的偶极矩。所以若在液晶显示器件的段电极和公共电极之间加上电压，则该部分由于电场的作用而会改变其液晶分子的排列状态。因此，欲使液晶分子的长轴对电极基片作平行、垂直或特定的方向排列，可在组装空盒容器之前，预先将电极基片的内表面进行化学的或物理的取向处理，然后，把液晶主件插在一对偏振片之间。若在段电极和公共电极之间给以电压，观察液晶显示器件的透射光，则由于液晶分子排列状态的变化，显示出或明或暗的图象。即无外加电场时，有光透射到显示暗的正像型图象，无光透射则显示亮的负像型图象。因此，适当地选择段电极和公共电极的形状，就可在一定程度上显示所要求的图象。

因液晶显示驱动电压低，仅几代即可，功耗极小。只有每平方米几瓦，且结构简单，重量轻，体积小。价格便宜，故应用极广，加上它的平板型外观，不被阳光冲刷，易于实现彩色显示，无辐射外泄等优点。此外，液晶显示与同一时期迅速发展的大规模集成电路，微型电池及其他微型电子元件相匹配，更是如虎添翼。

现在，液晶已广泛应用于电子显示器件，尤其液晶显示器件已控制了与它竞争的其他电子显示器件的市场。独占了手表和袖珍计算器等领域。最近已开始应用于各种计量仪器，家用电器，电子计算器和文字处理机等办公设备，以及摩托车和汽车上的液晶显示器件。可以预料，不久的将来，人们所期望看的液晶电视将得到普及，液晶显示器将会更进一步进入我们的生活。

液晶的行业应用

在液晶应用方面，很重要的一个技术，是如何控制在没有外界影响下，液晶分子的排列取向。为此，一般都使用液晶的薄层，这种薄层内的分子排列方式，对其光学性质有着很大的影响。依据上述介绍的液晶性质，在液晶应用领域中渴望在以下几个领域得到突破：

1.微温传感器：在施行水平取向处理的液晶盒中，向列型液晶和胆甾型液晶的混合物所形成的排列组织，是分子轴对于基片呈平行并顺次扭转的螺旋结构，而且其螺距随温度变化而发生显著变化，人们利用此现象制造出微温传感器。其原理为：探测器使液晶盒与被测物表面接触，偏振光被反射镜反射，经过液晶层、偏振片、光导纤维而返回。被测物体的表面温度若有变化，液晶分子排列的螺距即发生变化，偏振光的旋转角度也随之发生变化，因而返回光的强度也会发生变化。

2.压力传感器：胆甾型液晶当受到除温度、电场、磁场等以外的外部压力作用时，也能使其螺距发生变化，从而改变反射光的色相，制成压力传感器。有人尝试把此压力传感器安装在电话、电梯、信号铃等按钮的受压面上，以确认按钮是否接通。

3.超声波测量：若用超声波作用于液晶分子呈某种排列的液晶盒，可改变液晶分子的排列。利用该原理，可把超声波图象变换成可见图象，方法是：把超声波发生源和液晶盒安装在水中，并在二者之间放置试验片，则超声波被试验片挡住。在液晶盒面上将呈现对试验片进行投影的超声波象。因液晶盒上接受到超声波的那部分液晶分子排列会发生变化，于是获得了可见的超声波图象。

4.光通信用光路转换开关：在光导纤维通信系统中设置使液晶分子按某种方式排列的液晶盒，若对液晶盒施加电场。即可改变液晶分子的排列组织，进行光路转换。

5.光调制器：液晶分子呈均匀排列的向列型液晶或胆甾型液晶，都是光学单轴性物质，若对这些液晶施加电场或磁场。则液晶分子的取向组织将发生变化，引起光轴旋转；而若对液晶盒部分地施加电场或磁场，则液晶分子的取向组织将会变得不均匀，产生部分折射梯度。利用液晶的这种性质，可以制造光调制器。

另外，在空间调制器，焦距可变透镜，汽车上电显装置等也期望有所突破。科学工作者通过对液晶本身的折射率、抗磁化率、红外和紫外吸收的二向色性，以及核磁共振，X射线等方面的研究，确定了液晶的有序度等。但从化学观点出发，与研究液晶本身特性相媲美的内容是：把液晶作为溶剂，期望这方面有新的突破发展。

液晶学已成为一门新兴科学技术，广泛应用于当代各个工业部门。而且由于物质的液晶态结构普遍存在于生物体中，液晶结构及变化与生命现象之间的关系，也正在引起人们的重视。现在许多国家都先后建立了液晶科学的专门研究机构，制定了具体的研究规划和措施，对液晶领域进行全面研究。在显示技术方面，液晶显示技术预计在21世纪可能会赶上甚至超过普通的阴极射线管显示技术。到那时，现在使用的笨重的大彩电很可能会被壁挂式大屏幕液晶彩电所代替，液晶学科未来的发展在显示技术方面会有更大的进步。更重要的突破也许将会发生在液晶与生命系统的联系方面，全球的科学家正拭目以待。

液晶商品化路径

液晶显示器

显示器是液晶材料最重要的应用之一。

现代社会信息爆炸，大部分信息都是通过液晶屏幕展示给大家，包括数字仪表、电脑屏幕、电视屏幕、手机屏幕等科技产品。这主要归功于液晶显示具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点，为人们的生活提供了极大的便利。

20世纪，人们大部分使用的显示器是黑白显示，由于其造价便宜并且节能，至今还有少数市场在应用，比如：计算器、仪表等。

到了21世纪，大家对彩色的需求十分强烈，毕竟我们人类生活在五彩斑斓的世界。科学应用就是为了满足人类各种需求，为此科学家们基于黑白液晶显示原理研发出了液晶彩色显示器。其实结构上彩色显示只比黑白显示多了彩色滤光片，只是要使液晶屏幕显示彩色图案就复杂多了。但是万变不离其宗，对科学家而言，这只不过技术难度增加而已。

我们知道，屏幕上任何一个图案都是由像素点组成的。要想显示彩色图案，需要两项新技术。

第一项技术就是要把屏幕分成很多小格子，每一个小格子都是独立的，它的电压可以被单独调控。为了得到更加复杂的彩色显示，第二项技术就需要增加专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色液晶显示面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色、蓝色的滤波片，通过每一个液晶格的电开关可以控制三基色的不同排列组合，从而在屏幕上显示出不同的颜色，实现彩色显示。

彩色液晶显示器的工作原理

显示面板中每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色、和蓝色的滤波器。这样，通过控制透过每个单元格的光线再合成就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

液晶显示主要在可见波段。实际上，液晶的可工作波段覆盖了可见光、红外、乃至太赫兹、微波的整个电磁波波段，其应用范围非常广泛。随着21 世纪初液晶技术的革新及蓬勃发展，液晶光子学材料和器件在快速响应显示技术、增强现实、光场调控衍射光学器件、等离激元、光通信等方面展现出蓬勃的生机。

那么液晶的应用是不是仅限于液晶显示呢？下面介绍另一种走进我们生活的液晶应用。

液晶智能窗

可以想象一下这样的生活：你住在一个宽敞的房子里，卧室里有大大的落地窗，早上睡到自然醒，醒时从窗外射入一缕温暖的阳光，抬头就可以看见窗户上显示着现在的时间和今日的温度。当你起身，隔着透亮的大玻璃窗向远方望去，满怀希望地开启一天新的生活。随后，你开着安装有节能型智能窗的轿车，安全、舒适地抵达工作单位。走进宽大的办公室，你需要处理个人事务或者开个小组会，旁边的智能玻璃自动调光变为模糊状态，这样外面无法看入室内，你可以尽享私人空间。写字楼外墙是节能型智能窗，这为单位节约了不少的空调耗电费用。当你需要出差坐飞机尤其是长途旅行时，你不再惧怕飞机外特别刺眼的光线，飞机装有的智能窗可以根据个人喜好调节入射光的强弱，你可以尽情欣赏飞机外面景色。当你结束了忙碌的工作回到家中，最想做的就是回家泡个澡，此时的浴室玻璃也会根据需要变为模糊状态，把自己与外界彻底隔离，你可以舒适地休憩，享受只属于个人的私密空间，一身的疲惫也顿然消除。然后你回到卧室，落地窗自动调节光线，避免外界光的射入打扰你的美梦。

这样的场景真的很让人期待，我们的生活品质也将大大提高。然而要什么样的智能窗才能实现这么多功能呢？科学家找到了一种由液晶材料制作的智能窗，称为液晶智能窗。液晶智能窗又是如何实现这么多功能的呢？

首先，我们需要了解液晶分子的取向。有了这样的光学各向异性，我们就可以利用外加电场，改变液晶分子的排列方向，通过液晶分子取向的改变，最终对光进行动态调控。液晶智能窗也就随之产生，液晶分子取向一致的液晶器件，表现为均匀介质——透明体；液晶分子取向不一致时，它就表现为一个具有双折射率的散射体。

什么是聚合物分散液晶( PDLC)？

聚合物分散液晶( PDLC)是在我们生活中最为常见的一种智能窗材料，它是将低分子液晶与预聚物相混合，在一定条件下经聚合反应，形成微米级的液晶微滴均匀地分散在高分子网络中，再利用液晶分子的介电各向异性获得具有电光响应特性的器件。

PDLC主要工作在散射态和透明态之间并具有一定的灰度。液晶分子赋予了聚合物分散液晶智能窗显著的电光特性，使其受到了广泛关注，并有着广阔的应用前景。

在无外加电压的情形下，液晶分子的光轴取向随机，呈现无序状态，其有效折射率n0不与聚合物的折射率np匹配。使入射光线被强烈散射，液晶智能窗呈不透明或半透明状。当施加外电压，液晶分子的光轴沿着电场排列，液晶分子的寻常光折射率与聚合物的折射率基本匹配，无明显介面，构成了一个均匀的介质，所以入射光不会发生散射，此时液晶智能窗呈透明状。

图：聚合物分散液晶智能窗工作原理和实物图

除了上述的聚合物分散液晶（PDLC）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（无需电压维持）、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（P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（FC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（分子量较小，主要应用于液晶显示），高分子液晶（分子量较大，主要用于高强度材料）。

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（双亲）化合物和某些溶剂（如水）的作用而形成的，它们存在于一定的区域内（regions），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(nematic phase)、近晶相(smectic phase)、胆甾相(手性液晶，cholesteric) 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（条状、碟状）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（指向矢）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（混晶），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（>99.95%）。

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。