●什麽是液晶？
●復雜的液晶分子結構
● LCD在各方面的應用。
●彩色液晶材料
“液晶”被發現已有壹百年左右，但在最近二十年發展迅速。這是因為液晶材料的光電效應已被發現，因此被廣泛應用於低電壓和短顯示元件，因此成為科研和應用的熱點。目前已廣泛應用於電子表、電子計算器和電腦顯示屏，液晶也逐漸成為顯示行業不可或缺的重要材料。
_ _ _ _ _ _科學家普遍認為液晶是由奧地利植物學家F. Reinitzer於1888年首先發現的。當觀察苯甲酸膽甾醇酯的熔化行為時，發現當加熱到145度時，它將是混濁的液體，而當加熱到179度時，它將是均勻的液體。
_ _ _ _ _ _次年，德國物理學家O.Lehmann用偏光顯微鏡發現這種混濁液體具有各向異性結晶所特有的雙折射，因此命名為液晶。其形成原因可分為第壹種:溶致液晶，即液晶分子在適當的溶劑中，當其達到壹定的臨界濃度時，形成液晶態。其次，它是壹種熱致液晶，由於溫度的變化而呈現出各種液晶狀態。本文研究的液晶分子都是熱致液晶。
_ _ _ _ _熱致液晶分子隨著溫度的升高會伴隨壹系列的相變，即從固態到液晶態，最後到各向同性的液態。在這些相變過程中，液晶分子的物理性質會發生變化，如折射率、介電各向異性、彈性系數、粘度等。
根據凝集結構的不同，液晶可以分為三種類型:
●向列液晶
●近晶液晶
膽甾醇型液晶
●向列液晶
液晶的分子沿著長軸平行排列，所以在壹維上有規律地排列。這類液晶是最早出現的低粘度、快速響應的液晶，廣泛應用於液晶電視、筆記本電腦和各種顯示元件。
●近晶液晶
具有二維空間的層是規則排列的，並且每層具有壹維順行排列。壹般來說，這類分子粘度高，印加電場響應速度慢，所以很少用於顯示器，多用於光存儲材料的開發。
膽甾醇型液晶
這類液晶由多層向列型液晶疊加而成，是向列型液晶的壹種，也可稱為手性液晶。由於分子具有不對稱的碳中心，分子排列成螺旋平面，平面相互平行，而分子在每個平面上都是向列型的。液晶的排列不同是因為每個平面上分子的長軸不同，也就是兩個平面上分子的長軸不同。當兩個平面上分子的長軸方向相同時，兩個平面之間的距離稱為螺距。膽甾相液晶螺距的長度會隨著溫度的變化而變化，因此會產生不同波長的選擇性反射和不同的顏色變化，因此常被用作溫度傳感器。
液晶的化學結構
※具有液晶相的物質的分子結構
※近晶、向列和膽甾液晶的分子結構
※混合液晶
※支鏈和取代基的作用
*具有液晶相的物質的分子結構。
迄今為止，已知的液晶物質大多是脂肪族化合物、芳香族化合物和類固醇化合物，它們具有各種形式。但是什麽樣的分子結構化合物才能顯示液晶相呢？這個問題很難完整準確的回答，但是可以做壹些大概的討論。
第壹，分子的幾何形狀是細長的棒狀或扁平狀。第二，為了使分子保持平行排列，必須有適當的分子間作用力。
因此，具有永久偶極和易極化鍵的細長分子是理想的。分子的易極化性隨著原子半徑和鍵序的增加而增加，因此芳香化合物和不飽和鍵有利於液晶的形成。此外，芳香環和不飽和鍵保持幾何線性，也起著重要作用。
接下來，我們來看壹個例子:
反式-對-n-烷氧基肉桂酸(如圖1)，分子本身近似線性，羧基可以通過二聚化成線性(如圖2)，苯環有偶極或基團，C==O基團，極化C==C鍵。此外，該化合物的異構體順式(圖3)不是線性的。
比較具有相同分子長度的反式-對-正烷氧基肉桂酸和對-正烷氧基苯甲酸，
後壹種化合物也可以形成線性二聚體(圖4)，也有苯環、RO-基團和C==O基團，只是沒有雙鍵。現在，當R為辛基時，近晶相-向列相和向列相-各向同性液晶的相變溫度分別為146攝氏度和65438+。
而苯甲酸的溫度為108℃和147℃，所以肉桂酸的熱穩定性要好得多，這是由於C==C雙鍵的極化和分子間作用力的不同。
圖1
圖2
圖3
圖4
*近晶、向列和膽甾液晶和分子結構
化合物能呈現近晶相、向列相和膽甾相的結構是什麽樣的？
近晶狀分子是細長的，呈層狀排列。每層分子的長軸大致垂直於分子水平，層內分子可以自由移動。從晶相到近晶相的轉變可以認為是由細長分子長軸末端的分子間相互作用力的減弱引起的。當然，細長分子的橫向相互作用也減弱了，但仍保持相當大的強度...另外，從近晶相到向列相的轉變，可以看出分子既平行又沿長軸移動。也就是說，失去了大部分水平相互作用，但分子仍然是平行的，因此認為仍然存在壹些水平和末端相互作用。
以4’-正烷氧基苯偶姻-4-羧酸為例。隨著亞甲基的增加，其作用可以從兩個方面來理解。第壹，隨著亞甲基的增加，極化程度增加，使得垂直於分子長軸的力增加。第二，隨著亞甲基的增加，分子長軸末端高極化芳環的影響減小，末端分子力減小。從這兩個方面來看，烷基鏈當碳數增加到中等水平時，顯示近晶相，如果鏈長再次增加，末端分子間作用力不足，只顯示近晶相。簡而言之，近晶相和向列相的表現形式取決於分子間力和分子端力的不同。
膽甾型液晶多為膽固醇的酯類，膽固醇變成膽甾型液晶。僅在上述條件下很難解釋。但是可以看到膽固醇分子壹邊是光滑的，壹邊是粗糙的鋸齒形厚平面，當膽固醇的雙鍵飽和時會得到兩種立體異構體，膽甾烷醇呈現膽甾相，而甾烷醇不呈現膽甾相，這足以說明液晶平面結構的重要性。
4 '-n-烷氧基苯偶姻-4-羧酸
膽固醇酯
膽甾烷醇
類固醇醇
*混合液晶
當兩種物質混合時出現的液晶相有以下三種形式:
1.兩種組分都沒有液晶相的混合體系；
2.兩種化合物都具有液晶相的混合體系；
3.具有液晶相和另壹種沒有液晶相的化合物的混合體系。
先舉壹個例子，兩個組分都不是液晶物質，混合後顯示的是液晶相。壹種成分是膽固醇，另壹種成分是十六醇、甘油、琥珀酰亞胺、蘋果酸、馬來酸、丙二酸、琥珀酸、肉桂酸、乳酸、尿素等化合物。膽固醇本身不是液晶，但有形成液晶的可能。醇和酸能削弱某些膽固醇氫鍵的強分子間作用力，所以各種化合物。
這兩種組分本來就是液晶物質的混合體系，即相同的向列相，相同的向列相，或者相同的近晶相。當以這種方式混合時，獲得的均勻混合液晶與普通物質的液晶幾乎相同。液晶的溫度範圍延伸到低溫側。但是近晶相的混溶性沒有那麽簡單，因為近晶相有A、B、C等不同類型，所以只有同類型。不同類型之間沒有混雜。在這種情況下，可以用來判斷近晶相的A、B、C三種膽甾相液晶時，應該是左旋和右旋的。當它們以壹定的比例和溫度混合時，可以變成向列相液晶，這是壹個有趣的問題。作為混合不同類型的液晶(例如向列型液晶和膽甾型液晶)的例子，可以獲得這些特性。
通過混合液晶材料合肥液晶材料獲得的液晶的例子。
如果液晶組合物不破壞液晶組合物的平行排列並且具有這種適應性，則可以保持液晶相。因此，如果非液晶成分的分子與液晶成分的分子大小和形狀相似，就容易形成液晶。分子結構和組成相似的液晶和非液晶之間的分子力在相當程度上是線性變化的，因此向列-各向同性液相(N-I)的轉變溫度及其組成曲線也是相當線性的。當轉變溫度-組成曲線呈線性時，其傾斜度可作為非液晶組成的液晶形成能的尺度。也就是說，傾斜度越大，液晶形成能量越小。關於這種傾斜，液晶組合物被認為是向列相。
對氧化偶氮苯甲醚
非液晶成分的席夫堿
這裏的梯度由大約10%摩爾濃度處的轉變溫度下降的寬度表示。至於這個系統:1，即使X和Y換成其他組，梯度也差不多。2.當端基同時成為極性基團時，梯度較小，主要與端基的極化、大小和永久偶極有關。3.
NO2 & gtOEt & gtOme & gtO . COEt & gtO . COMe & gtNme2 & gtMe & gtCl & gtBr & gt我& gt哦& gtH
0.5 1.0 2.0 2.4 3.0 5.5 7.2 7.0 9.0 12.5 14.3 19.0
*分支和取代的影響
維持液晶態的主要分子間力是誘導偶極力、分散力和永久偶極力。由於這些分子間作用力的大小與分子間距離的n (n = 4 ~ 6)次方成反比，苯環上引入取代基或支鏈會使分子振幅增大，從而使分子間引力變得極其微弱。結果，液晶的各向同性溫度將顯著降低，或者根本看不到液晶特性。此外，當分子4上帶有取代基而被極化時。
漫談液晶材料系列
席夫堿液晶
☆偶氮基和偶氮基液晶
苯甲酸酯液晶
聯苯和三聯苯液晶
☆環己酸苯酯液晶
☆苯基環己烷和二苯基環己烷液晶
☆特殊功能液晶材料
*席夫堿液晶
Herr chistyy公司(西德)在1969年開發的MBBA具有負介電各向異性(△ξ=-0.5)。
在22～47.0°c的溫度範圍內具有向列相的液晶化合物，其雙折射⊿n很大，因此顯示對比度優異，粘度適中。但是席夫堿容易水解，所以化學穩定性不好。
隨後，TN顯示模式的出現是轉折點。對具有正介電各向異性的液晶化合物的需求增加，N-(4烷基苯基亞甲基)對氰基苯胺(P-烷基苯亞基-P’-氰基苯胺)和N-(4-烷氧基苯基亞甲基)對氰基苯胺(P-烷氧基芐亞基-P’-Cya)都屬於席夫堿。這些液晶具有很大的各向異性(15~20)，適合在低電壓下工作。然而，它們對水不穩定並且具有高粘度，這也是應用中的壹個難點。
*偶氮基和偶氮基液晶
為了解決席夫堿液晶化學穩定性差的問題，在1970中，默克公司(西德)開發了4-烷基-4'-烷基偶氮苯氧化物(P-akyl-P '-烷氧基偶氮苯)和4-烷基-4 '-烷基偶氮苯氧化物(P-Alkyi-P ')。後者為黃色，耐水性和耐酸性強，化學穩定性優異。它具有高雙折射(n=0.25~0.30)和低粘度(y-3×10-5m2/s)，適用於DS顯示文件。
*苯甲酸酯液晶
苯甲酸苯酯系列液晶化合物具有兩個苯環通過酯基相連的結構。這些液晶化合物表現出化學穩定性好、種類繁多的特點。因此，這些液晶的混合物或混合液晶與其他液晶化合物已經廣泛用於各種顯示裝置中。
*聯苯和三聯苯液晶
1972年，赫爾大學首次合成了具有劃時代意義的苯環間無中心官能團的Np型液晶——氰聯苯和氰三聯苯液晶化合物。
在此之前，各種液晶化合物的重復使用並不那麽令人滿意，主要原因是有壹個連接苯環的中心官能團。因此，有必要對分子進行重新設計，合成沒有中心閉能基團的液晶化合物。氰基聯苯基液晶就是具有這種分子結構的材料。下圖所示的兩種液晶無色，光穩定性和化學穩定性優異，具有介電各向異性(e~13)和粘度。
*苯基環己酸酯液晶
該酯的液晶化合物首次合成於Hlle大學1973。因為帶有烷基和烷氧基端基的Nn型液晶化合物(a)和(b)的粘度很低，所以它們可以用作低粘度混合液晶的壹部分。此外，對於TN型元件，Np型液晶的成分也非常有用。當用於Ds型顯示元件時，它們可以實現快速響應。然而，雙折射低，所以它不能獲得足夠的顯示對比度。雖然具有氰基端基的N型化合物(C)適用於TN型顯示元件，但它也具有低的雙折射和低的介電各向異性，因此它通常與具有大N和e的聯苯液晶混合使用.
*苯基環己烷和聯苯基環己烷液晶
從1976到1979，默克開發了壹些具有劃時代意義的苯基環己烷、聯苯環己烷、聯苯環己烷等液晶化合物。它們具有聯苯化合物的穩定性和環己酸酯液晶的低粘度，所以。
端基連接有氰基的壹系列氰基苯基環己烷液晶化合物(A)的介電各向異性e略低於其他液晶化合物(A)，但其粘度大大降低，這促進了高速響應顯示。氰基聯苯基環己烷液晶化合物(B)的相變溫度非常高，為N-1，因此與氰化物不同。
兩端帶有烷基或烷氧基的苯基環己烷化合物(C)是具有單相變化的向列型液晶。由於其極低的粘度，它們是降低混合液晶粘度的重要低粘度添加劑。
苯基環己烷液晶的雙折射比聯苯液晶的雙折射小約壹半，接近環己基羧酸酯液晶的雙折射。
*具有特殊功能的液晶材料
1.特殊向列液晶材料
* 1977年，默克公司合成了壹系列液晶化合物，是分子結構中沒有苯環的特殊液晶。與普通液晶化合物相比，它們的特性是極小的雙折射、正負抗磁性。
利用前壹個特征，這些液晶化合物可以用作廣角視場顯示元件的低雙折射混合液晶材料的組分，利用後壹個特征，即負抗磁性，它們可以用作物理和化學研究方法如高分辨率NMR光譜中的各向異性溶劑液晶。
赫爾大學等發表了用雙環辛烷環(2，3)和金剛烷環(2，4)代替眾所周知的苯環和環己烷環作為構成液晶骨架分子的環烷烴，合成了具有特殊液晶結構的新液晶化合物(如圖)。
到目前為止，已知金剛烷基液晶化合物的N-I相變溫度遠低於苯環、環己烷環、二環辛基環烷等同類液晶化合物。此外，基於二環辛烷的液晶化合物可以用作多透射驅動的液晶材料的液晶組分，因為性質和溫度的相關性很小。
*具有大介電各向異性的液晶
具有大介電各向異性|△ξ |的液晶材料對於工作在低電壓下的工業顯示材料非常重要。通常負各向異性材料Nn液晶化合物的△ξ最多為-1。而下圖所示的液晶化合物(a，b)，由於在分子側鏈中引入了強極性的F基團，因此，呈現負介電各向異性。特別是氮公司在1980中開發的引入兩個氰基的二氰基氫醌衍生物(B)具有特別大的△ξ，是Nn型液晶化合物的例外。
介電各向異性為正的Np型化合物，即普通的△ξ也大到+10 ~+20，如氰基苯基酯液晶化合物(C)的△ξ，但更明顯。然而，該體系中液晶化合物的光學穩定性較差。
由於高介電各向異性的液晶化合物大多具有高粘度和高液晶溫度，在實際應用中應與低溫和低液晶溫度的液晶化合物混合使用。
*介電各向異性符號可變的液晶
當外加電壓的頻率增加時，介電各向異性的符號△ξ將由正變負，向列型液晶化合物已經存在。這種液晶是制造雙頻驅動液晶顯示元件的基本材料，該雙頻驅動液晶顯示元件可以通過改變施加的頻率來實現高響應性。從1938年到0974年，特曼-柯達公司開發了以下兩種液晶化合物的等效混合液晶，可用作液晶材料。
這種混合液晶的δξ在外加頻率為50HZ時為+6.1，在外加頻率為10khz時為-2.2。δξ從正到負的界面頻率fc與溫度有很大關系，500C時為80kHZ，室溫時為10khz，0C時為10khz。
*具有二色性的液晶染料
在可見光波長範圍內有吸收的液晶，即有色液晶，具有二色性，也可稱為二色性液晶染料。這類液晶染料可分為兩類:壹類稱為正二色性液晶化合物，在分子的長軸方向有可見光吸收躍遷；壹類稱為負二色性液晶化合物，其吸收躍遷方向垂直於分子的長軸。
早就為人所知的偶氮基和氧化偶氮基液晶化合物是正二色性液晶染料的代表，分別為橙紅色和黃色，而負二色性染料是最近才合成的。比如特拉津基液晶化合物就屬於這壹類(圖1)。四氮雜苯系液晶染料是品紅液晶，在550um附近有很大的吸收峰，其二色性不同。
二色性液晶染料是二色性液晶彩色液晶顯示元件必需的液晶顯示材料。未來將會開發出性能更好的二色性液晶染料。
2.膽甾醇型液晶和近晶液晶
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*帶有膽甾環的膽甾液晶
膽固醇(圖7)本身沒有液晶性質，但其羥基被鹵素取代後的鹵化物，或其脂肪酸酯和碳酸酯的衍生物，多為膽甾型液晶。膽甾醇型液晶不限於膽固醇的衍生物，並且所有在分子中具有不對稱碳原子和適合於行進液晶結構的分子幾何形狀的化合物都可以產生膽甾醇型液晶。因此，所有膽甾醇型液晶化合物都具有偏振面可以旋轉的光學性質，這表明
膽甾相液晶具有特殊的螺旋結構，因此其旋光性、選擇性光色散、圓偏振二色性等特殊的化學性質對外界刺激引起的化學變化非常敏感。人們利用這壹現象開發了各種應用。然而，這種應用是膽甾型液晶的三種顏色變化中的任何壹種:
1(1)外加電壓引起的顏色變化；
2(2)溫度變化引起的顏色變化；
3(3)吸附氣體引起的顏色變化。
*沒有膽甾環的膽甾液晶
手性向列型液晶是指沒有膽甾環但顯示膽甾相的向列型液晶化合物。在這些手性向列型液晶中，膽甾醇型液晶所必需的螺旋結構是由含有不對稱碳原子的光學活性烷基或烷氧基支鏈形成的，這些支鏈連接到普通向列型液晶化合物的末端。
以下光活性的2-甲基丁基(2mb)、3-甲基丁氧基(3mbo)和4-甲基己基(4-甲基己基)(4MH)被引入到最初為向列型液晶的席夫堿、偶氮、酯和聯苯化合物的末端。
因此，手性向列型液晶化合物不僅在分子形狀上與業余向列型液晶相似，在化學和光學穩定性、介電各向異性、電阻等物理值上也與業余向列型液晶相似。其主要用途如下:
1)_(1)在普通向列型液晶中加入少量(~ 1%重量)手性向列型液晶，可以防止TN液晶顯示元件的反向畸變。
2)_(2)含有少量手性向列型液晶(5 ~ 10重量%)的向列型液晶可用作相變(PC)顯示元件的長螺距膽甾型液晶。
3) _ _ _ (3)手性向列型液晶化合物的多組分混合液晶也可以用於因外界刺激而引起顏色變化的場合，就像上面提到的帶有膽甾環的膽甾型液晶壹樣。
上面提到的不含膽甾環的膽甾型液晶，稱為手性向列型液晶，由於其化學和光化學穩定性明顯優於含膽甾環的液晶，因此可以在很多方面得到應用。
*實用的近晶液晶
近晶液晶的特征在於棒狀分子的層狀結構。因此，與向列相液晶相比，近晶液晶具有二維流體的性質。因此，近晶液晶具有高粘度，並且難以受到諸如外部電場的外部刺激的影響。
由於分子排列的細微差異，近晶液晶被分為a、b、c、h等。其中，近晶A液晶和近晶C液晶更容易受到外場的影響。因此，這些液晶材料可以巧妙地利用其原始分子排列的高有序性和對外界刺激的強抵抗性，作為具有熱光效應的液晶顯示元件。下表列出了在近晶液晶顯示器中實用的具有近晶A液晶相的聯苯液晶化合物。
聚合物液晶分子