热致液晶
加热液晶物质时形成的各向异性熔体
热致性液晶(Thermatropic Liquid Crystal)是加热液晶物质时,形成的各向异性熔体。
热致液晶的形成原理
把某种能形成液晶的固体加热到熔点T1,这种物质就转变成为既有双折射性,又有流动性液晶态,肉眼能看到的是一种黏稠而浑浊的液体,其稠度随不同的化合物而有所不同,从糊状到自由流动的液体都有,即黏度不同。从分子角度来看,温度超过熔点时,物质内部的分子排列还是有序的,仍然具有晶体结构的某些性质。但是,这时的分子又是能够流动的,产生了液体的某些特性,所以说,这种物质此时处于液晶态,由于这种液晶态是靠加热形成的,因而称之为热致性液晶。
温度继续升高,直至澄清点T2,液晶态又转变成各向同性的液体,从分子角度来看,温度超过澄清点时,物质分子的取向是随机的、杂乱无章的,此时,这种物质仅有和液体一样的流动性,而无任何有序性,所以说,这种物质在加热到澄清点的温度之后,就完成了从液晶态到液态的相变。如果冷却这种液体,逆过程又可以倒转回来,但是,有些液晶物质在冷却时会出现过度冷却的现象,从而形成一种不稳定相。
热致液晶的分类
热致液晶按其结构形态分为向列型(Nematic)、近晶型(Smectic)、胆甾型(Cholesteric)。
向列型
向列相液晶简写为TN,它的分子呈棒状,分子的长宽比大于4:1,分子的长轴互相平行,但不排列成层,它能上下、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,向列相液晶分子的排列和运动比较自由,对外力相当敏感,目前是液晶显示器件的主要材料。
向列相液晶在偏光显微镜下显示为丝状条纹,所以有些书中把向列相液晶又称为丝状液晶。对于长棒状分子构成的向列相液晶,在同一排列取向区,分子的排列很像丝线中纤维的顺丝排列。如图1所示就是丝状相中分子排列示意图。
近晶型
近晶相液晶由棒状或条状分子组成,分子排列成层,在层内,分子长轴相互平行,其方向可垂直或倾斜于层面,因为分子排列整齐,其规整性接近晶体,为二维有序(图2)。但分子质心位置在层内无序,可以自由平移,从而有流动性,然而黏度很大。分子可以前后、左右滑动,不能在上下层之间移动。因为它的高度有序性,近晶相经常出现在较低温度区域内。已经发现至少有8种近晶相(SA~SH),近来,近晶J和K相也已被证实。
胆甾型
胆甾相液晶简写为CH,只在旋光性物质中出现。这类液晶大部分是胆甾醇胆固醇)的各种衍生物,这种液晶分子呈扁平状且排列成层,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,相邻两层分子,其长轴彼此有一轻微的扭角(约为15′),多层分子的排列方向逐渐扭转成螺旋线,形成一个沿层的法线方向排列成螺旋状结构,如图3所示,像一卷可以绕松绕紧的钢丝弹簧,当不同层的分子长轴排列沿螺旋方向经历360°的变化后,又回到初始取向,这个周期性的层间距称为胆甾相液晶的螺距P。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态,因为胆甾相层内的分子长轴彼此也是平行取向,仅仅是从这一层到另一层时的均一择优取向旋转一个固定角度,层层叠起来,就形成螺旋排列的结构。所以在胆甾相中加入消旋向列相液晶,能将胆甾相转变为向列相,或将适当比例的左族、右旋胆甾相混合,在某一温度区间内,由于左右旋的相互抵消转变为向列相。值得指出的是一定强度的电场磁场,亦可使胆甾液晶转变为向列相液晶。因此胆甾相液晶也被称作是扭曲向列相(Twisted Nematic)。
反之,在向列相液晶中加入旋光性物质,会形成胆甾相,含不对称中心的手性向列相液晶亦呈现胆甾相,这些都说明胆甾相和向列相结构是紧密相关的。胆甾相液晶易受外力的影响,特别对温度敏感,温度能引起螺距改变,有温度效应,即随冷热而改变颜色。
可以这样说,向列相液晶可以说是胆甾相液晶的一个特例,就是沿螺旋轴方向要经过无限远的距离,分子排列取向转动有限角的胆甾相。也就是说向列相液晶是螺距P为无穷大的胆甾相液晶。
参考资料
最新修订时间:2022-12-17 15:35
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概述
热致液晶的形成原理
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