液晶应用前景
在我们的日常生活中，一般物质以三种形式存在——固相、液相和气相。众所周知，在常压下，水在0℃以下为固相(冰)，在0℃ ~ 100℃为液相，在100℃以上为气相(水蒸气)。虽然这是中学课本上说的，但物质的三种形式并不是全部。事实上，有机物质有很多种，都以液相和固相之间的形式存在。科学家称这种异常物质为“液晶”。“液晶”这个术语乍听起来有点矛盾，但它确实是一种具有各种迷人特征的材料形式，可以在实践中广泛应用。
一百多年前，奥地利植物学家f reinitzer首次在胆固醇衍生物胆固醇邻苯二甲酸酯中发现了一种新的物质相。在从固相到液相的熔化过程中，这种衍生物呈现出一种特殊的特性，这种特性是当时朴素的物质理论所无法解释的。从那以后，科学家们做了各种研究，试图找出这种多彩的物质形式——液晶相。液晶除了在将物质从固相转变为液相的过程中作为异常相之外，还具有其他新的性质。例如，它响应电场并影响光的偏振。20多年前，液晶的这种电学和光学特性首次被用来传输信息。今天，液晶显示器已经广泛用于手表、计算器、飞机和其他设备。在当今的科技时代，液晶已经成为人与机器之间的重要界面，可以预见，在未来，随着信息显示需求的不断增长，液晶显示将发挥越来越重要的作用。目前，液晶显示器正被用于各种计算机彩色显示终端。
制造新的液晶显示器和解释这些奇怪物质的行为需要求助于许多科学领域的基本原理，其中光学、电磁学、热力学和物理物理学尤为重要。研究人员花了许多年时间来开发和完善一种实用的商用电光液晶显示装置。然而，液晶显示器的物理基础及其原理在世界上并不陌生，而是我们日常生活的一部分。下面，我们将介绍一些简单的测试及其解释，以填补基础物理和技术之间的空白。通过学习液晶获得的科学概念可以用来激发学生讨论各种形式的物质、电磁力、光散射、折射率和光偏振。
一、物理学家对物质的描述
物理学家一直对应用自然界的基本原理来解释复杂的物质结构感兴趣。物质A和物质B的区别在于其分子结构的排列。例如，固相(或晶相)物质的分子或原子在空间中占据固定的位置，所以我们说晶相有一个位置序。此外，晶相物质的分子取向受到其他分子取向的限制，所以我们说晶相取向是有序的。当一种物质从固相熔化成液相(有时称为各向同性状态)时，位置顺序和取向顺序都消失了，允许分子*移动和搅动。
在液晶相中，物质分子既保持了液晶的性质。液晶相是液晶相中最简单也是最常见的一种。它的分子以类似于液相的方式运动，但保持特定方向的取向(称为向列取向)。向列相的取向有序度不如晶相的取向有序度完美，但在普通液相中却不可用。这个阶段显示出像液晶一样的属性，所以应该给它一个新的名字。
物质通常有几种液相。除了向列相，另一个液晶相是近晶相。层状相的分子分层排列，层中的分子相互平行，分子的取向可以垂直于层表面或倾斜于层表面。有八种层状相。随着温度的升高，层状相的顺序是e、h、g、f、I、b、c、d、a。科学家通常根据分子的倾角和层间的位置顺序来区分不同的层状相。此外，在生物学中也发现了各种液晶相，如细胞膜。
所有呈现一种或多种液晶相的物质都有一个共同特征:它们的分子是长分子。科学家解释说，液晶相的传统方法是使用代表分子簇的许多细棒的特定排列。当然，我们也可以用非传统的方法来解释它，比如用人来代表分子簇。当物质处于液晶相时，向上取向的分子相当于向下取向的分子。如果人们用人而不是棍子，也就是说，只要人本身是平行的，他们的头是向上还是向下都是一样的。
液晶的发现已有100多年的历史，但自20世纪70年代以来，人们开始关注液晶的一系列物理效应的发现。液晶是具有特定分子结构的有机化合物的集合体。这些有机化合物不会直接从晶态变成液态，而是经过一个过渡状态。液晶具有液体流动性和晶体有序性。液晶的力学性质类似于流体，但其电、光、热等物理性质类似于晶体，具有显著的各向异性。(本段由译者补充)
第二，液晶的光学性质
当光通过液晶时，液晶的许多迷人的特征就显现出来了。众所周知，光穿过透明物体的速度小于穿过真空物体的速度。物质的折射率是这一特性的量度，即它的光密度的量度。例如，光穿过玻璃的速度小于空气的速度，因此玻璃的光密度大于空气的光密度。当然，用光学原理来描述液晶不是很简单，也不可能只用折射率来描述液晶。由于细长分子，光在平行于细长分子的方向和垂直于细长分子的方向上通过的速度是不同的。因此，液晶具有折射性。换句话说，两个折射率被用来描述这种异常行为。正是这一特性使得在光学显微镜的正负偏振器下精确研究液晶成为可能。这一特性也是大多数液晶应用的基础。液晶物质的双折射可以通过把它放在两个偏振片之间而清楚地显示出来。
通常，没有光，即黑暗，因为穿过第一偏振片的偏振光将被第二偏振片完全吸收。如果普通液体放置在两个正交偏振器之间，则没有变化，因为普通液体不影响光的偏振，穿过第一偏振器的偏振光仍然被第二偏振器吸收。然而，如果加入液晶，结果就完全不同了，就是说，会出现明亮的光。也就是说，在液晶被放入之后，偏振光的偏振方向经历一些旋转，因此可以从第二偏振板发射。
液晶对偏振光的这种影响不难理解。试着考虑光的电场矢量有一个平行或垂直于长分子方向的分量，在任何时候都没有相位差。当光通过液晶时，两个偏振光以不同的速度向同一个方向移动。当光通过液晶介质时，由于双折射，一个偏振光将先于另一个偏振光，最后两个偏振光将以相位差射出。由于液晶发射椭圆偏振光，一些光可以从第二偏振片发射。液晶的这种双折射特性已经应用于各种显示器。
研究液晶最常见和最基本的设备是配备有正交偏振器的显微镜。人们可以用这种显微镜来识别液晶的不同相以及一相转变成另一相的准确温度。微观上，向列相和层状相的结构非常不同:向列相是线性的，而层状相是扇形的。液晶的其他相之间的差别通常相对较小，只能通过仔细的经验来区分。
液晶物质从一个相转变为另一个相，并有明显的视觉变化，因此它是制作温度测量设备的理想材料。一些液晶混合物在1℃的范围内显示几个相，因此温度监测可以非常精确。选择合适的液晶混合物制作温度计可以满足各种温度测量的需要。作为显示应用，它取决于向列相的性质。当然，向列相应该在大的温度范围内保持不变。目前，在-30℃和90℃之间保持不变的向列相材料可以用于温度变化大的情况。
三、液晶应用
上面，我们已经明确了液晶的光学行为。在这里，我们将讨论如何利用液晶的双折射特性来制造实用的设备。首先，让我们谈谈液晶分子非常重要的特性:它可以整齐地排列在电磁场中。这个特征是组成长分子的原子排列的结果。它也是由分子中原子键的性质决定的。另一点值得一提的是，液晶材料被放置在两个电极之间以响应电场。
这种现象的基本原理是电场对液晶分子的原子电荷(正原子核和负电子)施加一个力。液晶分子的一端可能带有轻微的正电荷，另一端可能带有轻微的负电荷(称为永久电偶极)。在电场的作用下，分子的带电部分受到两种相反的力的作用。然后沿着电场方向排列。如果液晶分子不能以这种方式分离电荷，电场将正电荷移动到分子的一端，负电荷移动到分子的另一端(称为感应电偶极)。因此，液晶分子在电场中排列。一般来说，液晶分子要么有永久电偶极子，要么有感应电偶极子，这使得分子在电场中整齐排列。大多数液晶分子对电场的反应是它们排列有序，它们的长分子方向平行于电场的方向。当然，也有可能在一些分子按顺序排列后，它们的长分子轴垂直于电场的方向。
液晶分子对磁场的反应类似于对电场的反应。当施加磁场时，分子中的一些电荷变成由运动电荷组成的小圆圈。这是感应磁偶极子，它的北极和南极在磁场的方向上。感应磁偶极子的方向可以是长方向或垂直于长方向。因此，液晶分子的整齐排列要么平行于磁场方向，要么垂直于磁场方向。对于上述应用，磁场的使用既不方便也不实用，因此它通常仅限于研究。
利用液晶分子的双折射和细长分子可以在平行于电场方向上排列的特性。我们可以制造各种液晶设备。最常用的液晶显示器可能是迄今为止由扭曲向列型(TN)液晶材料制成的最广泛研究和最完美的显示装置。该显示装置由以下几部分组成:两片带有透明导电涂层的玻璃。通过使用能够精确控制间隙的细间距模板、两个偏振片和适当的液晶材料来制造液晶显示装置并不困难。
扭曲向列相液晶显示装置的工作原理很容易理解。根据光学原理，从顶部偏振板发射的偏振光被底部偏振板完全吸收，结果，没有光出现(见图1a)。如果在两个导电玻璃片之间放置一层向列液晶(见图1b)材料，并且两个彼此垂直取向的偏振片分别附着在两个玻璃片上，则玻璃片的表面用特殊聚合物处理，并用棉纱沿偏振片方向抛光。抛光使得液晶分子的长轴取向(由香烟状的圆杆表示)平行于偏振光(如图1b所示)。由于分子在顶板上的取向是长轴的左右取向，分子在底板上的取向是长轴的前后取向，向列液晶将以90度旋转，所以这种显示装置被称为扭曲向列液晶显示装置。当非偏振光通过顶部的偏振片时，它变成与偏振片上的向列液晶方向相同的偏振光。穿过液晶夹层后，它变成旋转90度的线偏振光。换句话说，当它到达底部偏振器时，偏振方向旋转90度，因此显示装置是透明的。
这里值得一提的是，不仅液晶能够旋转偏振光。其他一些物质也有这种特性。例如，糖溶液由于其分子不对称也能改变偏振光的偏振方向，但其本质不同。液晶的这一特性是由于长分子的相互取向。虽然糖溶液(和其他物质)和液晶可以改变偏振光通过它们后的比率，但这种改变的机制本质上是不同的。
现在，我们将讨论施加电场后扭曲的液晶显示装置的情况(如图1c所示)。施加电场后，分子沿平行于电场的方向排列。结果，90度失真被破坏。在光穿过扭曲的液晶层之后，偏振光的偏振方向不改变，因此它被底部偏振片吸收，这与图2(a)中没有液晶介质时的情况相同。如果电场被移除，分子会回到它们最初的扭曲状态，显示装置会再次变得透明。
适用于大多数液晶显示设备，如手表、袖珍计算器等。在底部偏振器后面增加反射器就足够了。在没有电场的情况下，偏振光以上述方式穿过扭曲的液晶夹层。当光从底部偏振器出射时，反射器将其反射回来，使其再次穿过扭曲的液晶夹层，然后从顶部偏振器出射。这时，显示装置是亮银色的。在施加电场之后，从顶部偏振片发出的光在穿过夹层时不受有序排列的液晶分子的影响，因此它被底部偏振片完全吸收，因此反射镜上没有光，所以显示装置不发光。玻璃板上装有电极的小段，它们预先组成阿拉伯数字。这样，如果电压施加到适当的场，数字将被显示。
一种新的液晶技术——聚合物掺杂液晶显示器(PDLC)正在诞生。其工作原理是电控光散射的独特原理。换句话说，显示设备的透明度可以被电控制为乳白色、不发光和透明。PDLC显示装置由两块导电玻璃夹着掺有聚合物的液晶组成。液晶是被固体聚合物包围的液滴。如果我们用折射率参数来讨论，我们必须考虑三个主要值:np(聚合物折射率)、n(平行于长液晶分子的折射率)和n⊥(垂直于长液晶分子的折射率)。你认为，由于聚合物的加入，问题可能变得复杂，但PDLC显示装置的工作原理(见图2)相当简单。
如图2(a)所示，如果不存在电场，所有的液晶液滴都是随机取向的。投射到PDLC的非偏振光通常与平行、垂直或偏振方向之间的任何角度的液滴相互作用。因此，光通过扭曲层后，其折射率会发生变化。结果光线被大部分液滴散射，显示装置呈乳白色。
如图2(b)所示，如果存在电场，则PDLC处于透明状态。此时，液晶滴在平行于电场的方向上按顺序排列。当非偏振光通过时，它会受到n⊥.的影响如果np和n⊥匹配，则微滴边缘的散射最小，然后显示设备处于透明状态。如果电场被移除，液滴将返回到随机方向。显示设备也回到了它最初的乳白色状态。
PDLC显示装置的主要优点是不需要偏振片，成本低，易于制造。另一个优点是它可以与各种柔性透明电极一起使用。可以预测，在不久的将来，PDLC显示设备将被商业化以满足用户，并且将被用于大型办公楼的太阳能控制、汽车上的天窗、具有强隐私性的窗户以及可能的大型广告牌。
第四，我们为什么要研究液晶？
在当今的科技时代，液晶显示设备已经成为一种势不可挡的信息传输工具。每个人在一生中都必须以这样或那样的方式来处理液晶设备。你的手表、袖珍计算器、音响设备、汽车上的速度计或时钟，或许你家里所有的电器都有液晶显示器。计算机行业现在正在制造终端带有液晶显示器的折叠式计算机。因为液晶显示终端的功耗小，所以体积比普通阴极射线管终端小得多。如果光源放在后面并且使用了滤色器。还可以制造用于折叠计算机的彩色显示终端。当然，这种设备也有它的缺点。清晰度仍然有限。目前，围绕这一问题开展了大量的研究工作。
液晶不仅为各种应用提供了无限的可能性，而且其独特的性质多年来一直是科学家们非常感兴趣的。从现在到遥远的未来，液晶独特的性质和相态将永远是物理学家关注的焦点。1991年诺贝尔物理学奖获得者p g .德根尼斯教授获得该奖，部分原因是他对液晶物理学的巨大贡献。现在，将液晶问题引入物理入门课程的时机比以往任何时候都更加成熟。每个人都听说过液晶，但是很少有人真正了解它的特性。在讨论相位、物质的电磁性质、光学性质、偏振概念、相变和折射率时，液晶也是一个理想的话题。至关重要的是，液晶可以在基础物理和应用技术之间架起一座桥梁。我们经常听到学生说，“学这个有什么用？”不是这样吗？