2024年4月24日发(作者：柔元正)
液晶的性质及其应用
张琦，陈莜，吴军一，师安
1．什么是液晶
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。
通常的有机晶体加热到熔点就开始熔解，成为透明的液体。在偏光显微镜下
观察时，可发现光学各向异性消失，从光学各向异性变为各向同性（因为几乎所
有的有机晶体都显示光学各向异性，液体显示光学各向同性。）故可以用这种现
象来测定熔点。然而，有一类化合物在熔解时却出现异常现象。当其晶体加热到
温度T
1
时，熔解成粘稠状而稍微有些混浊的液体，但当继续加热到温度T
2
时，
则变为透明的液体。从表面上看，这类有机化合物好像具有两个熔点。用偏光显
微镜观察这类样品时，则发现在T
1
和T
2
温度之间所形成的混浊液体具有明显的
纹理，表明它为光学各向异性。在温度为T
2
时所形成的透明液体在偏光显微镜
在正交尼科耳棱镜下则出现暗视野，表明为光学各向同性。人们称T
1
和T
2
温度
之间形成的显示光学各向异性的液体为液晶。其熔融或溶解之后虽然变为了具有
流动性的液态物质，但结构上仍保存一维或二维有序排列，在物理性质上呈现各
向异性，形成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。
电子显微镜下液晶分子的形态
2．液晶科学的发展
“液晶”被发现至今约一百年，但近二十多年来才获得了迅速的发展，这是
因为液晶材料的光电效应被发现，因而被广泛地应用在需低电压和轻薄短小的显
示组件上，因此它一跃成为一热门的科学研究及应用的主题。目前己被广泛使用
于电子表，电子计算器和计算机显示屏幕上，液晶逐渐成为显示工业上不可或缺
的重要材料。
1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇笨甲酸酯结晶的实验时
发现，在145.5℃时，结晶熔解成为混浊粘稠的液体，当继续加热到178.5℃时，
则形成了透明的液体。这是人们对液晶认识的开始。第二年德国的物理学家莱曼
发现，上述145.5℃～178.5℃之间的粘稠混浊液体在用偏光显微镜进行观察时，
它具有双折射现象。于是莱曼把这种具有光学各向异性、流动性的液体称之为液
晶。
近十多年来液晶科学获得了许多重要的发展，研究领域遍及物理，化学，电
子学，生物学各个学科，如：
液晶光学----研究亚军的光学性质，非线形光学性质，光的偏振，圆偏光二
相色性，旋光性，液晶光电效应，光阀，激光信息传输等；
分子物理学----研究液晶的相转变理论，液晶电流体效应，液晶的介电，介
磁，压电，超声等效应；
液晶化学----研究液晶分子的结构和性质的关系，新型液晶材料的合成，表
面取向剂的结构和功能，高分子液晶及其应用，液晶色谱学，液晶热谱学，液晶
光谱学，表面化学，定向化学反应，燃料化工，液晶态分离膜，润滑化学以及宾
主效应中染料分子的结构等；
生物液晶----研究生命过程（新陈代谢，发育），组织，疾病，衰老过程中液
晶态变化；生物膜结构和功能，生物体能量，信息传递过程，光合作用等与液晶
结构和行为之间的关系。
3．液晶的分类和性质
形成液晶的物质通常具有刚性分子结构，分子呈棒状，同时还具有在液态下
维持分子的某种有序排列所必须的结构因素。这种结构特征常与分子中含对位苯
撑、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系。如4,4’-二甲氧基氧化偶氮苯：
分子上两极性基团间相互作用有利于形成线性结构，从而有利于液晶有序态
结构的稳定。由固态到液晶态和液晶态到液态的过程都是热力学一级转变过程。
根据形成的条件和组成，液晶大致可以分为两大类，即热致液晶和溶致液晶。
热致液晶是指单成分的纯化合物或均匀混合物在温度变化下出现的液晶相。典型
的长棒状有机化合物热致液晶的分子量一般在200-500g/mol左右，分子的轴比
（长宽比）约在4-8之间。实验室里最常用的热致液晶有氧化偶氮茴香醚[PPA，
para-azoxyanisole,CH3O(C6H4)N2O(C6H4)OCH3]和对甲氧基苄叉对氨基丁苯
[MBBA，N-（p-methoxybenzylidence）
-p’-n-butylaniline,CH3O(C6H4)CHN(C6H4)C4H9].前者的熔点和清亮点分别为
118.2℃和135.5℃，后者是21℃和48℃。
溶致液晶是两种或者两种以上组分形成的液晶，其中一种是水或其它的极性
溶剂。在一定浓度溶液出现液晶相。溶致液晶中的溶质在温度变化下常常是不稳
定的，因此可以忽略温度引起相变的问题。溶致液晶中的长棒溶质分子一般要比
构成热致液晶的长棒状溶质分子大得多，分子的轴比约在15左右，最常见的溶
致液晶有肥皂水，洗衣粉溶液和表面活化剂等。溶致液晶中引起长程有序的主要
是溶质与溶剂之间的相互作用，溶质也溶质之间的相互作用是次要的。溶致液晶
在生物系统大量存在，生物膜就具有液晶特征。因此，溶致液晶的研究对生物物
理学颇为重要。
如果从分子排列的有序性来区别液晶相，特别是对于热致液晶，那么可以分
为三大类。向列型（或称丝状相），近晶型（或称层状相），胆甾型（或称螺旋相）。
-
●向列型（nematic）液晶
由长径很大的棒状分子所组成，分子质心没有长程有序性。具有类似于
普通液体的流动性，分子不排列成层，它能上下，左右，前后滑动，只在分子长
轴方向上保持互相平行或近于平行。分子间短程相互作用微弱，属于Van der
Waals引力。此类型液晶的粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍的
使用于液晶电视、笔记本电脑以及各类型显示元件上。
●近晶型（smectic）液晶
由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂
直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二
维有序。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但一般而言
黏度很大。分子可以前后，左右滑动，不能在上下层之间移动。由于其有黏度，
印加电场的应答速度慢，比较少应用于显示器上，多用于光记忆材料的发展上。
●胆甾型（cholesteric）液晶
此类型液晶是由多层向列型液晶堆积所形成，扁平的长形分子靠端基相互作
用彼此平行排列为层状结构，长轴在平面内。相邻层间分子长轴取向由于伸出面
外的光学活性基团相互作用，依次规则扭转一定角度，而成螺旋面结构。两取向
相同的分子层之间的距离称胆甾液晶的螺距。这类液晶有极高的旋光特性。为
nematic液晶的一种，也可以称为旋光性的nematic液晶（chiralnematic),因分子具
有非对称碳中心，所以分子的排列呈螺旋平面状的排列，面与面之间为互相平行，
而分子在各个平面上为nematic，液晶的排列方式，由于各个面上的分子长轴方
向不同，即两个平面上的分子长轴方向夹着一定角度；当两个平面上的分子长轴
方向相同时，这两个平面之间的距离称为一个pitch。cholesteric液晶pitch的长度
会随着温度的不同而改变，因此会产生不同波长的选择性反射，产生不同的颜色
变化，故常用于温度感测器。
胆甾相液晶具有螺旋结构。因此有特殊的光学性质，如选择反射、圆二色性、
强烈的旋光性及其色散、电光和磁光效应等。
选择反射：将薄层胆甾液晶注入玻璃盒内，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，故出现可见光的布拉格反射。
反射峰波长位置为
λ
=pnsin
ψ
，峰宽
∆
λ
=|∆n|p×sin
ψ
。p为胆甾相的螺距。
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。
π
(∆n)
2
p
。负号
旋光性及色散：胆甾相液晶的旋光率可表示为
R=−
2
4
λ
(1−
λ
2
/p
2
n
2
)
为旋光符号，与胆甾相的螺旋符号相反。
螺距与温度、电磁场的关系：胆甾相的螺距p极易随温度、电场、磁场、化
学环境、压力、声波和各种辐射场的改变而变化。其最大反射波长随温度不同而
显著不同，故可用于热色显示。在磁场或电场作用下，螺距p随场强增大而增大，
达到阀值强度时螺旋结构解体，螺距无穷大。为获得不同螺距，可将不同胆甾材
料或胆甾相与向列相按不同比例混合。
电光效应：胆甾相的电光效应有相变效应、方栅格效应、存储效应、彩色效
应等。
影响溶致型高分子胆甾液晶螺距的因素有：
浓度：螺距p随高分子在胆甾相中的浓度升高而减小。
溶剂温度：胆甾相材料的螺旋方向与溶剂有关。温度升高时，螺距增大，至
某一温度时螺旋方向会发生反转。
多肽侧链：多肽侧链长度不同，在同一溶剂中螺距与温度的关系也不尽相同。
多肽取代基结构也会影响螺距，取代基尺寸越大，螺距也越大。
液晶高分子
高分子液晶按其液晶原所处位置不同而分为主链型和侧链型液晶。主链液晶
的主链即由液晶原和柔性链节相间组成。侧链液晶的主链为柔性，刚性的液晶原
接在侧链上。
主链类溶致型高分子液晶中，刚性基团为一些环状单元，其分解温度往往低
于其熔点，故不能成为热致型液晶。主链类热致型液晶所含刚性基团为链状与环
状结构相间的单元，称作介晶基团。降低热致型液晶熔点的方法有：将带有介晶
基团的单体与其它单体共聚；在刚性基团上加不对称取代基使结构有序度降低；
将带有上述刚性基团基团的链段与适当长度的柔性链段共聚。
含介晶基团的单体也可作为侧链接到主链上，形成侧链液晶。若介晶基团通
过某种柔性链衔接到主链，更有利于中介相的形成。侧链高分子液晶的介晶基团
行为与单体介晶基团行为相似，柔性衔接使单体介晶基团的几何形状各向异性和
高极化度在高分子液晶中很好的保留下来。故侧链液晶比主链液晶有更好的光电
性质。
高分子液晶的物理性质
1．弹性性质
液晶对外场作用较为敏感，即使不大的电磁力、切变力、表面吸附等都能使
液晶产生较大形变。液晶可独立存在展曲、扭曲、弯曲三种弹性形变。
对高分子液晶而言，弹性常数不仅与其化学组成有关，还与其分子链长度有
关。由于链很长及链的柔顺型影响，液晶高分子的弹性常数颇不同于小分子量液
晶分子。
设Φ为液晶高分子的体积比，L是分子长度，d为分子直径，Q＝Φ（L/d），
则三个弹性常数都随Q增加而增加。Q是描述分子有序度的参数。
若液晶高分子有序型较高，并假定取向分布函数为高斯分布，则展曲、扭曲
弹性常数与Q成正比，而弯曲弹性常数随Q的三次方迅速增大。
半柔性液晶高分子每个分子的柔性对熵的贡献使其展曲弹性系数多出一增
量。链的柔性引起的链弯曲使分子尾端空间分布压缩或膨胀，从而使熵减小。分
子越长，分子链尾端数目越少，展曲形变越困难。故展曲弹性常数正比于液晶高
分子体积浓度和长度。
2．粘滞性与流变性
液晶存在取向有序性，这将影响流体力学行为。而液晶高分子还具有的高分
子的粘滞特性，如与分子长度密切相关。
一般液晶高分子为多畴状态，畴的大小在几微米之内，故在宏观上液晶高分
子是各向同性的，其许多物理性质如理学性能等，表观上也是多向同性的。
溶致型液晶高分子溶液在各向同性相时，粘度随浓度增大而增大。进入液晶
相后，粘滞系数突然降低。分子量越大，进入液晶相浓度也越低，最大粘滞系数
升高。体系进入液晶相后，指向矢受切变流的影响而沿它的流动方向取向，从而
迅速降低了粘滞系数。
当切变流动停止一段时间后，样品会逐渐弛豫回原来的多畴状态。如果在此
之前就使液晶高分子降温或溶剂移走成为固态，仍可获得相当好的宏观取向，即
各向异性固体。这是高分子液晶态纺丝的基础。
生物性液晶高分子
细胞膜使有脂类和蛋白质组成的双层膜，脂类分子亲水基向外形成双分子
层，蛋白质分子被吸附在亲水基团上形成上下两个蛋白质层，类似于近晶相结构。
脂类双层的主要成分磷脂随温度发生结构变化。降温时在低于清亮点的温度
下经过一次吸热转变，出现结晶相到液晶态的相转变。转变温度随脂肪酸链的长
度增加而增加，随不饱和度增加而降低。磷脂处于液晶态时，小分子易穿过膜；
处于结晶态时，则不能穿过。
液晶螺旋结构是生物分子结构的一个普遍现象。如生物性胆甾相液晶高分子
DNA、RNA等。生物角质层、角膜晶体，以及植物细胞壁、无脊椎动物结缔组
织、脊椎动物软骨等，都可见到螺旋状排列的结构。叶绿素也表现出液晶特性，
从中提取的叶绿蛋白呈双折射现象。
由高分子与低分子液晶构成的符合膜具有选择渗透性，可广泛用于离子交换膜、
氧富集膜、电荷分离膜、脱盐膜、人工肾脏透析膜等。这种功能膜易于制成较大
面积，具一定强度，有良好渗透性，对电场甚至溶液pH值有明显响应。
4．液晶的应用
自 1888年莱尼茨尔发现液晶以来，已经历了一个多世纪。但回顾起来，过
去漫长的岁月中由于历史条件所限，人们对液晶的结构和性质了解甚少。直到近
几十年，液晶的研究成果才逐渐地从科研实验室进入到实际应用领域。
1958年，法拉第学会曾举办过液晶专题讨论会，会后出版了文献汇编——
《大分子和液晶》。这时，美国的韦斯廷豪斯研究室的弗加森小组也着手开始研
究液晶分子结构、光学性质及工业实际应用的可能性。经过几年的刻苦钻研，反
复实验，1963年他首先用胆甾相液晶制成了依据颜色变化来测定物体表面温度
分布的温度计。这使液晶研究向着实际应用领域大大地向前推进了一步，引起国
际液晶学界的强烈反响。本世纪六十年代中期以后，随着微电子工业、航空工业、
激光、微波以及全息照相等新技术的迅速发展，相应地也迫切需要使用一些对低
能量激励有灵敏反应的物质。特别是1968年RCA公司的海尔迈耶发现向列相液
晶的透明薄层通电时会出现混浊象（即电光效应）以后，相继发现了许多新型的
电光效应。
本世纪七十年代以来，液晶已被广泛地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、体温测定等等。
特别是，改变液晶分子排列所需的驱动功率极低这一特性为研制袖珍计算机和全
电子手表的数字显示提供了有利条件。液晶显示全电子数字石英手表是目前世界
手表工业中的新产品。它具有走时准确、造价低、功耗小和功能多样等特点，在
许多方面都优于机械表和其它电子手表。同时，液晶图像显示和液晶快速电视显
示的研制也倍受注目。
推动液晶研究迅速发展的另一个动力，就是液晶与生命现象有着紧密的关
联。许多物理、化学、生物学者对生物膜具有介晶态结构很感兴趣，液晶生物物
理已受到各国科学家相当普遍的重视。各种各样的假说、推论层出不穷，它们都
把生物膜所特有的功能与液晶特性相结合，来探索生命科学的奥秘及生物液晶的
特殊功能。
1．液晶的显示应用
在这最近的几十年时间里液晶显示器有了长足的进步。目前液晶显示器已是
整个显示领域中的佼佼者，只要稍加留意，不难发现市场上用液晶显示器的仪器
仪表、计算器、计算机、彩色电视机、投影电视机等不仅品种越来越多，而且显
示品质亦越来越高，价格越来越低。
用液晶作显示装置有两个显著的优点。
第一，液晶本身不发光，而是利用外部光源来发光的。但这并不意味着非用
外光源不可。
利用太阳发出的自然光和室内的一般照明光都可进行显示。这和电子学显示
装置的概念相比，可以说有根本的不同。作为显示元件，液晶新的意义恐怕就在
这里。
第二，作为显示元件用的液晶，其厚度可做成几十微米以下，这对显示装置
来说是很合适的。
这表明，液晶具有作薄型电视接收显示材料的良好性能。而且由于它是液态，
原则上其大小是没有限制的，要多大就可以多大。故期待它作为大屏幕显示装置
的理由也就在此。
三种液晶显示原理
a.
扭曲向列型液晶显示器
简称“TN型液晶显示器”。向列型液晶夹在两片玻璃中间。这种玻璃的
表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。这种薄膜通常是一种铟
（Indium）和锡（Tin）的氧化物（Oxide），简称ITO。然后再在有ITO的玻璃
上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。
型液晶显示器
简称“TFT型液晶显示器”。 TFT型液晶显示器也采用了两夹层间填充液
晶分子的设计。只不过是把左边夹层的电极改为了FET晶体管，而右边夹层的
电极改为了共通电极。在光源设计上，TFT的显示采用"背透式"照射方式，即
假想的光源路径不是像TN液晶那样的从左至右，而是从右向左，这样的作法
是在液晶的背部设置了类似日光灯的光管。 光源照射时先通过右偏振片向左透
出，借助液晶分子来传导光线。由于左右夹层的电极改成FET电极和共通电极，
在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，
也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容
效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET
电极下一次再加电改变其排列方式为止。
c.高分子散布型液晶显示器
简称“ PDLC型液晶显示器”。高分子的单体(monomer)与液晶混合后夹在
两片玻璃中间，做成一液晶盒。这种玻璃与上面所用的相同，是表面上先镀有
一层透明而导电的薄膜作电极。但是不需要在玻璃上镀表面配向剂。此时将液
晶盒放在紫外灯下照射使个单体连结成高分子聚合物。在高分子形成的同时，
液晶与高分子分开而形成许多液晶小颗粒。这些小颗粒被高分子聚合物固定住。
当光照射在此液晶盒上，因折射率不同，而在颗粒表面处产生折射及反射。经
过多次反射与折射，就产生了散射,此液晶盒就像牛奶一样呈现出不透明的乳白
色。足够大电压加在液晶盒两侧的玻璃上，液晶顺着电场方向排列，而使每颗
液晶的排列均相同。对正面入射光而言，这些液晶有着相同的折射率
n
。如果
我们可以选用的高分子材料的折射率与
n
相同，对光而言这些液晶颗粒与高分
子材料是相同的；因而在液晶盒内部没有任何折射或反射的现象产生。此时的
液晶盒就像透明的清水一样。
2．液晶相变与癌
最近对癌症病因的探索已从细胞水平深入到分子水平,并且在癌细胞的生物
膜变研究中取得进展,发现了细胞膜癌变的物理机制与生物膜从液晶态转变为液
态密切相关.正常细胞膜处于液晶态,癌细胞的生物膜发生了从液晶向各向同性的
相变从而使膜分子的排列无序化,细胞膜的光滑特性也在此时转变为凹凸不平的
毛茸状态,使细胞间的吸附作用减弱,从而破坏了细胞间接触抑制的调节机能.
通过使癌变细胞的生物膜恢复液晶相以治疗癌症是当前液晶医学中一个很
有意义的研究课题.
如果认识到在生命过程中,很大程度上,物质是处于液晶态这一点,还可以举
出其他一些疾病也同样可以用液晶物理学来理解他们的成因或考虑对它们的治
疗.包括动脉硬化、胆石的形成以及镰状细胞贫血等等。
参考书目
《液晶物理学》，谢琉章，1988，科学出版社
《液晶化学》，王良御，廖松生，1988，科学出版社
《液晶高分子》，周其风，王新久，1994，科学出版社
《从肥皂泡到液晶生物膜》，欧阳钟灿，刘寄星，1992，湖南教育出版社
2024年4月24日发(作者：柔元正)
液晶的性质及其应用
张琦，陈莜，吴军一，师安
1．什么是液晶
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。
通常的有机晶体加热到熔点就开始熔解，成为透明的液体。在偏光显微镜下
观察时，可发现光学各向异性消失，从光学各向异性变为各向同性（因为几乎所
有的有机晶体都显示光学各向异性，液体显示光学各向同性。）故可以用这种现
象来测定熔点。然而，有一类化合物在熔解时却出现异常现象。当其晶体加热到
温度T
1
时，熔解成粘稠状而稍微有些混浊的液体，但当继续加热到温度T
2
时，
则变为透明的液体。从表面上看，这类有机化合物好像具有两个熔点。用偏光显
微镜观察这类样品时，则发现在T
1
和T
2
温度之间所形成的混浊液体具有明显的
纹理，表明它为光学各向异性。在温度为T
2
时所形成的透明液体在偏光显微镜
在正交尼科耳棱镜下则出现暗视野，表明为光学各向同性。人们称T
1
和T
2
温度
之间形成的显示光学各向异性的液体为液晶。其熔融或溶解之后虽然变为了具有
流动性的液态物质，但结构上仍保存一维或二维有序排列，在物理性质上呈现各
向异性，形成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。
电子显微镜下液晶分子的形态
2．液晶科学的发展
“液晶”被发现至今约一百年，但近二十多年来才获得了迅速的发展，这是
因为液晶材料的光电效应被发现，因而被广泛地应用在需低电压和轻薄短小的显
示组件上，因此它一跃成为一热门的科学研究及应用的主题。目前己被广泛使用
于电子表，电子计算器和计算机显示屏幕上，液晶逐渐成为显示工业上不可或缺
的重要材料。
1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇笨甲酸酯结晶的实验时
发现，在145.5℃时，结晶熔解成为混浊粘稠的液体，当继续加热到178.5℃时，
则形成了透明的液体。这是人们对液晶认识的开始。第二年德国的物理学家莱曼
发现，上述145.5℃～178.5℃之间的粘稠混浊液体在用偏光显微镜进行观察时，
它具有双折射现象。于是莱曼把这种具有光学各向异性、流动性的液体称之为液
晶。
近十多年来液晶科学获得了许多重要的发展，研究领域遍及物理，化学，电
子学，生物学各个学科，如：
液晶光学----研究亚军的光学性质，非线形光学性质，光的偏振，圆偏光二
相色性，旋光性，液晶光电效应，光阀，激光信息传输等；
分子物理学----研究液晶的相转变理论，液晶电流体效应，液晶的介电，介
磁，压电，超声等效应；
液晶化学----研究液晶分子的结构和性质的关系，新型液晶材料的合成，表
面取向剂的结构和功能，高分子液晶及其应用，液晶色谱学，液晶热谱学，液晶
光谱学，表面化学，定向化学反应，燃料化工，液晶态分离膜，润滑化学以及宾
主效应中染料分子的结构等；
生物液晶----研究生命过程（新陈代谢，发育），组织，疾病，衰老过程中液
晶态变化；生物膜结构和功能，生物体能量，信息传递过程，光合作用等与液晶
结构和行为之间的关系。
3．液晶的分类和性质
形成液晶的物质通常具有刚性分子结构，分子呈棒状，同时还具有在液态下
维持分子的某种有序排列所必须的结构因素。这种结构特征常与分子中含对位苯
撑、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系。如4,4’-二甲氧基氧化偶氮苯：
分子上两极性基团间相互作用有利于形成线性结构，从而有利于液晶有序态
结构的稳定。由固态到液晶态和液晶态到液态的过程都是热力学一级转变过程。
根据形成的条件和组成，液晶大致可以分为两大类，即热致液晶和溶致液晶。
热致液晶是指单成分的纯化合物或均匀混合物在温度变化下出现的液晶相。典型
的长棒状有机化合物热致液晶的分子量一般在200-500g/mol左右，分子的轴比
（长宽比）约在4-8之间。实验室里最常用的热致液晶有氧化偶氮茴香醚[PPA，
para-azoxyanisole,CH3O(C6H4)N2O(C6H4)OCH3]和对甲氧基苄叉对氨基丁苯
[MBBA，N-（p-methoxybenzylidence）
-p’-n-butylaniline,CH3O(C6H4)CHN(C6H4)C4H9].前者的熔点和清亮点分别为
118.2℃和135.5℃，后者是21℃和48℃。
溶致液晶是两种或者两种以上组分形成的液晶，其中一种是水或其它的极性
溶剂。在一定浓度溶液出现液晶相。溶致液晶中的溶质在温度变化下常常是不稳
定的，因此可以忽略温度引起相变的问题。溶致液晶中的长棒溶质分子一般要比
构成热致液晶的长棒状溶质分子大得多，分子的轴比约在15左右，最常见的溶
致液晶有肥皂水，洗衣粉溶液和表面活化剂等。溶致液晶中引起长程有序的主要
是溶质与溶剂之间的相互作用，溶质也溶质之间的相互作用是次要的。溶致液晶
在生物系统大量存在，生物膜就具有液晶特征。因此，溶致液晶的研究对生物物
理学颇为重要。
如果从分子排列的有序性来区别液晶相，特别是对于热致液晶，那么可以分
为三大类。向列型（或称丝状相），近晶型（或称层状相），胆甾型（或称螺旋相）。
-
●向列型（nematic）液晶
由长径很大的棒状分子所组成，分子质心没有长程有序性。具有类似于
普通液体的流动性，分子不排列成层，它能上下，左右，前后滑动，只在分子长
轴方向上保持互相平行或近于平行。分子间短程相互作用微弱，属于Van der
Waals引力。此类型液晶的粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍的
使用于液晶电视、笔记本电脑以及各类型显示元件上。
●近晶型（smectic）液晶
由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂
直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二
维有序。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但一般而言
黏度很大。分子可以前后，左右滑动，不能在上下层之间移动。由于其有黏度，
印加电场的应答速度慢，比较少应用于显示器上，多用于光记忆材料的发展上。
●胆甾型（cholesteric）液晶
此类型液晶是由多层向列型液晶堆积所形成，扁平的长形分子靠端基相互作
用彼此平行排列为层状结构，长轴在平面内。相邻层间分子长轴取向由于伸出面
外的光学活性基团相互作用，依次规则扭转一定角度，而成螺旋面结构。两取向
相同的分子层之间的距离称胆甾液晶的螺距。这类液晶有极高的旋光特性。为
nematic液晶的一种，也可以称为旋光性的nematic液晶（chiralnematic),因分子具
有非对称碳中心，所以分子的排列呈螺旋平面状的排列，面与面之间为互相平行，
而分子在各个平面上为nematic，液晶的排列方式，由于各个面上的分子长轴方
向不同，即两个平面上的分子长轴方向夹着一定角度；当两个平面上的分子长轴
方向相同时，这两个平面之间的距离称为一个pitch。cholesteric液晶pitch的长度
会随着温度的不同而改变，因此会产生不同波长的选择性反射，产生不同的颜色
变化，故常用于温度感测器。
胆甾相液晶具有螺旋结构。因此有特殊的光学性质，如选择反射、圆二色性、
强烈的旋光性及其色散、电光和磁光效应等。
选择反射：将薄层胆甾液晶注入玻璃盒内，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，故出现可见光的布拉格反射。
反射峰波长位置为
λ
=pnsin
ψ
，峰宽
∆
λ
=|∆n|p×sin
ψ
。p为胆甾相的螺距。
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。
π
(∆n)
2
p
。负号
旋光性及色散：胆甾相液晶的旋光率可表示为
R=−
2
4
λ
(1−
λ
2
/p
2
n
2
)
为旋光符号，与胆甾相的螺旋符号相反。
螺距与温度、电磁场的关系：胆甾相的螺距p极易随温度、电场、磁场、化
学环境、压力、声波和各种辐射场的改变而变化。其最大反射波长随温度不同而
显著不同，故可用于热色显示。在磁场或电场作用下，螺距p随场强增大而增大，
达到阀值强度时螺旋结构解体，螺距无穷大。为获得不同螺距，可将不同胆甾材
料或胆甾相与向列相按不同比例混合。
电光效应：胆甾相的电光效应有相变效应、方栅格效应、存储效应、彩色效
应等。
影响溶致型高分子胆甾液晶螺距的因素有：
浓度：螺距p随高分子在胆甾相中的浓度升高而减小。
溶剂温度：胆甾相材料的螺旋方向与溶剂有关。温度升高时，螺距增大，至
某一温度时螺旋方向会发生反转。
多肽侧链：多肽侧链长度不同，在同一溶剂中螺距与温度的关系也不尽相同。
多肽取代基结构也会影响螺距，取代基尺寸越大，螺距也越大。
液晶高分子
高分子液晶按其液晶原所处位置不同而分为主链型和侧链型液晶。主链液晶
的主链即由液晶原和柔性链节相间组成。侧链液晶的主链为柔性，刚性的液晶原
接在侧链上。
主链类溶致型高分子液晶中，刚性基团为一些环状单元，其分解温度往往低
于其熔点，故不能成为热致型液晶。主链类热致型液晶所含刚性基团为链状与环
状结构相间的单元，称作介晶基团。降低热致型液晶熔点的方法有：将带有介晶
基团的单体与其它单体共聚；在刚性基团上加不对称取代基使结构有序度降低；
将带有上述刚性基团基团的链段与适当长度的柔性链段共聚。
含介晶基团的单体也可作为侧链接到主链上，形成侧链液晶。若介晶基团通
过某种柔性链衔接到主链，更有利于中介相的形成。侧链高分子液晶的介晶基团
行为与单体介晶基团行为相似，柔性衔接使单体介晶基团的几何形状各向异性和
高极化度在高分子液晶中很好的保留下来。故侧链液晶比主链液晶有更好的光电
性质。
高分子液晶的物理性质
1．弹性性质
液晶对外场作用较为敏感，即使不大的电磁力、切变力、表面吸附等都能使
液晶产生较大形变。液晶可独立存在展曲、扭曲、弯曲三种弹性形变。
对高分子液晶而言，弹性常数不仅与其化学组成有关，还与其分子链长度有
关。由于链很长及链的柔顺型影响，液晶高分子的弹性常数颇不同于小分子量液
晶分子。
设Φ为液晶高分子的体积比，L是分子长度，d为分子直径，Q＝Φ（L/d），
则三个弹性常数都随Q增加而增加。Q是描述分子有序度的参数。
若液晶高分子有序型较高，并假定取向分布函数为高斯分布，则展曲、扭曲
弹性常数与Q成正比，而弯曲弹性常数随Q的三次方迅速增大。
半柔性液晶高分子每个分子的柔性对熵的贡献使其展曲弹性系数多出一增
量。链的柔性引起的链弯曲使分子尾端空间分布压缩或膨胀，从而使熵减小。分
子越长，分子链尾端数目越少，展曲形变越困难。故展曲弹性常数正比于液晶高
分子体积浓度和长度。
2．粘滞性与流变性
液晶存在取向有序性，这将影响流体力学行为。而液晶高分子还具有的高分
子的粘滞特性，如与分子长度密切相关。
一般液晶高分子为多畴状态，畴的大小在几微米之内，故在宏观上液晶高分
子是各向同性的，其许多物理性质如理学性能等，表观上也是多向同性的。
溶致型液晶高分子溶液在各向同性相时，粘度随浓度增大而增大。进入液晶
相后，粘滞系数突然降低。分子量越大，进入液晶相浓度也越低，最大粘滞系数
升高。体系进入液晶相后，指向矢受切变流的影响而沿它的流动方向取向，从而
迅速降低了粘滞系数。
当切变流动停止一段时间后，样品会逐渐弛豫回原来的多畴状态。如果在此
之前就使液晶高分子降温或溶剂移走成为固态，仍可获得相当好的宏观取向，即
各向异性固体。这是高分子液晶态纺丝的基础。
生物性液晶高分子
细胞膜使有脂类和蛋白质组成的双层膜，脂类分子亲水基向外形成双分子
层，蛋白质分子被吸附在亲水基团上形成上下两个蛋白质层，类似于近晶相结构。
脂类双层的主要成分磷脂随温度发生结构变化。降温时在低于清亮点的温度
下经过一次吸热转变，出现结晶相到液晶态的相转变。转变温度随脂肪酸链的长
度增加而增加，随不饱和度增加而降低。磷脂处于液晶态时，小分子易穿过膜；
处于结晶态时，则不能穿过。
液晶螺旋结构是生物分子结构的一个普遍现象。如生物性胆甾相液晶高分子
DNA、RNA等。生物角质层、角膜晶体，以及植物细胞壁、无脊椎动物结缔组
织、脊椎动物软骨等，都可见到螺旋状排列的结构。叶绿素也表现出液晶特性，
从中提取的叶绿蛋白呈双折射现象。
由高分子与低分子液晶构成的符合膜具有选择渗透性，可广泛用于离子交换膜、
氧富集膜、电荷分离膜、脱盐膜、人工肾脏透析膜等。这种功能膜易于制成较大
面积，具一定强度，有良好渗透性，对电场甚至溶液pH值有明显响应。
4．液晶的应用
自 1888年莱尼茨尔发现液晶以来，已经历了一个多世纪。但回顾起来，过
去漫长的岁月中由于历史条件所限，人们对液晶的结构和性质了解甚少。直到近
几十年，液晶的研究成果才逐渐地从科研实验室进入到实际应用领域。
1958年，法拉第学会曾举办过液晶专题讨论会，会后出版了文献汇编——
《大分子和液晶》。这时，美国的韦斯廷豪斯研究室的弗加森小组也着手开始研
究液晶分子结构、光学性质及工业实际应用的可能性。经过几年的刻苦钻研，反
复实验，1963年他首先用胆甾相液晶制成了依据颜色变化来测定物体表面温度
分布的温度计。这使液晶研究向着实际应用领域大大地向前推进了一步，引起国
际液晶学界的强烈反响。本世纪六十年代中期以后，随着微电子工业、航空工业、
激光、微波以及全息照相等新技术的迅速发展，相应地也迫切需要使用一些对低
能量激励有灵敏反应的物质。特别是1968年RCA公司的海尔迈耶发现向列相液
晶的透明薄层通电时会出现混浊象（即电光效应）以后，相继发现了许多新型的
电光效应。
本世纪七十年代以来，液晶已被广泛地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、体温测定等等。
特别是，改变液晶分子排列所需的驱动功率极低这一特性为研制袖珍计算机和全
电子手表的数字显示提供了有利条件。液晶显示全电子数字石英手表是目前世界
手表工业中的新产品。它具有走时准确、造价低、功耗小和功能多样等特点，在
许多方面都优于机械表和其它电子手表。同时，液晶图像显示和液晶快速电视显
示的研制也倍受注目。
推动液晶研究迅速发展的另一个动力，就是液晶与生命现象有着紧密的关
联。许多物理、化学、生物学者对生物膜具有介晶态结构很感兴趣，液晶生物物
理已受到各国科学家相当普遍的重视。各种各样的假说、推论层出不穷，它们都
把生物膜所特有的功能与液晶特性相结合，来探索生命科学的奥秘及生物液晶的
特殊功能。
1．液晶的显示应用
在这最近的几十年时间里液晶显示器有了长足的进步。目前液晶显示器已是
整个显示领域中的佼佼者，只要稍加留意，不难发现市场上用液晶显示器的仪器
仪表、计算器、计算机、彩色电视机、投影电视机等不仅品种越来越多，而且显
示品质亦越来越高，价格越来越低。
用液晶作显示装置有两个显著的优点。
第一，液晶本身不发光，而是利用外部光源来发光的。但这并不意味着非用
外光源不可。
利用太阳发出的自然光和室内的一般照明光都可进行显示。这和电子学显示
装置的概念相比，可以说有根本的不同。作为显示元件，液晶新的意义恐怕就在
这里。
第二，作为显示元件用的液晶，其厚度可做成几十微米以下，这对显示装置
来说是很合适的。
这表明，液晶具有作薄型电视接收显示材料的良好性能。而且由于它是液态，
原则上其大小是没有限制的，要多大就可以多大。故期待它作为大屏幕显示装置
的理由也就在此。
三种液晶显示原理
a.
扭曲向列型液晶显示器
简称“TN型液晶显示器”。向列型液晶夹在两片玻璃中间。这种玻璃的
表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。这种薄膜通常是一种铟
（Indium）和锡（Tin）的氧化物（Oxide），简称ITO。然后再在有ITO的玻璃
上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。
型液晶显示器
简称“TFT型液晶显示器”。 TFT型液晶显示器也采用了两夹层间填充液
晶分子的设计。只不过是把左边夹层的电极改为了FET晶体管，而右边夹层的
电极改为了共通电极。在光源设计上，TFT的显示采用"背透式"照射方式，即
假想的光源路径不是像TN液晶那样的从左至右，而是从右向左，这样的作法
是在液晶的背部设置了类似日光灯的光管。 光源照射时先通过右偏振片向左透
出，借助液晶分子来传导光线。由于左右夹层的电极改成FET电极和共通电极，
在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，
也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容
效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET
电极下一次再加电改变其排列方式为止。
c.高分子散布型液晶显示器
简称“ PDLC型液晶显示器”。高分子的单体(monomer)与液晶混合后夹在
两片玻璃中间，做成一液晶盒。这种玻璃与上面所用的相同，是表面上先镀有
一层透明而导电的薄膜作电极。但是不需要在玻璃上镀表面配向剂。此时将液
晶盒放在紫外灯下照射使个单体连结成高分子聚合物。在高分子形成的同时，
液晶与高分子分开而形成许多液晶小颗粒。这些小颗粒被高分子聚合物固定住。
当光照射在此液晶盒上，因折射率不同，而在颗粒表面处产生折射及反射。经
过多次反射与折射，就产生了散射,此液晶盒就像牛奶一样呈现出不透明的乳白
色。足够大电压加在液晶盒两侧的玻璃上，液晶顺着电场方向排列，而使每颗
液晶的排列均相同。对正面入射光而言，这些液晶有着相同的折射率
n
。如果
我们可以选用的高分子材料的折射率与
n
相同，对光而言这些液晶颗粒与高分
子材料是相同的；因而在液晶盒内部没有任何折射或反射的现象产生。此时的
液晶盒就像透明的清水一样。
2．液晶相变与癌
最近对癌症病因的探索已从细胞水平深入到分子水平,并且在癌细胞的生物
膜变研究中取得进展,发现了细胞膜癌变的物理机制与生物膜从液晶态转变为液
态密切相关.正常细胞膜处于液晶态,癌细胞的生物膜发生了从液晶向各向同性的
相变从而使膜分子的排列无序化,细胞膜的光滑特性也在此时转变为凹凸不平的
毛茸状态,使细胞间的吸附作用减弱,从而破坏了细胞间接触抑制的调节机能.
通过使癌变细胞的生物膜恢复液晶相以治疗癌症是当前液晶医学中一个很
有意义的研究课题.
如果认识到在生命过程中,很大程度上,物质是处于液晶态这一点,还可以举
出其他一些疾病也同样可以用液晶物理学来理解他们的成因或考虑对它们的治
疗.包括动脉硬化、胆石的形成以及镰状细胞贫血等等。
参考书目
《液晶物理学》，谢琉章，1988，科学出版社
《液晶化学》，王良御，廖松生，1988，科学出版社
《液晶高分子》，周其风，王新久，1994，科学出版社
《从肥皂泡到液晶生物膜》，欧阳钟灿，刘寄星，1992，湖南教育出版社