液晶应用前景

在我们的日常生活中，一般物质以三种形态——固相、液相、气相而存在。众所周知，在常压下，水在0℃以下呈固相(冰)，在0℃～100℃时呈液相，在100℃以上时则变为气相(水蒸气)。虽然中学课本中都是这么说的，然而，物质的这三种形态决非其形态的全部。实际上有许多种有机物，都呈现一种介乎于液相与固相之间的形态，科学家称这种异常物质形态为“液晶”。“液晶”这一术语乍听起来有点矛盾，而它的确是一种具有各种迷人特性，并可广泛实际应用的物质形态。

一百多年前，一位名叫F·赖尼策尔的奥地利植物学家在一种胆固醇的衍生物——胆甾醇苯酸酯中首先发现了一种新奇的物质相。在由固相融为液相的过程中，这种衍生物呈现出了一种奇特的、用当时的幼稚物质理论无法解释的特性。此后，科学家做过种种研究，试图弄清楚这种丰富多彩的物质形态——液晶相。液晶除了是一种物质从固相化为液相过程中的一种异常物相外，还具有其他新颖的性质。例如：对电场发生响应，影响光偏振等。二十多年前，液晶的这种电、光特性首次被用来传递信息。今天，液晶显示(LCD)已广泛地用于手表、计算器、飞机以及其他各种设备。在今天这个科技时代，液晶已充当了人与机器之间的至关重要的接口，并且可以预测，在未来，随着对信息显示需求的与日俱增，液晶显示将发挥越来越大的作用。目前，液晶显示正在用于各类计算机彩显终端。

制做新式的液晶显示，并解释弄清这些奇特物质行为，需要求助于许多科学领域的基本原理，其中以光学、电磁学、热力学、物质物理学尤为重要。科研人员用了多年时间才研制并完善了一种实用型的商业性电——光液晶显示设备。然而，液晶显示及其原理的物理学基础并非天方奇物，而是我们日常生活的一个部分。下文我们将介绍几个简单试验及其说明，以填充基础物理学与技术之间的断层。通过研究液晶而得到的科学概念，可以用来激发学生讨论物质的各种形态、电磁力、光散射、折射率以及光偏振等。

一、物理学家对物质的描述

物理学家向来对应用自然界中的基本原理解释复杂的物质结构颇感兴趣，区别物质甲相与乙相的，是其分子结构的排列形式。例如：固相(或晶相)物质的分子或原子在空间中占有固定的位置，因此，我们说晶相位置有序(positionaL order)。此外，晶相物质分子的取向受其他分子取向的制约，所以我们说晶相取向有序(ori-entationaL order)。当物质由固相融为液相(有时称做各向同性态)时，位置有序性和取向有序性全部消失，使得分子可以自由自在的运动，翻腾。

液晶相时，物质的分子保持了那些既象液体又象晶体的性质。向列相(nematic phase)是液晶相中最简单、最普通的一种，其分子以类似液相时分子的方式运动，不过保持沿特定方向(叫做向列准线)取向。取向有序性在向列相中的程度不如晶相那么近乎完美，然则却为一般液相不具备，该相所表现出的性质既象液体，也象晶体，所以应该给它取个新的名称。

物质常常有几种液相，除向列相外，另一种液晶相是层列相(smectic phase)。层列相的分子分层排列，层内分子相互平行，其取向可以与层面垂直，或与层面倾斜。层列相共分八种，随着温度的升高，层列相出现的顺序为E，H，G，F，I，B，C，D，A。学家通常根据其分子倾斜的角度以及层面间的位置有序性来区分各种不同的层列相，此外，生物界还发现了各种液晶相，例如：细胞膜。

一切呈现一种或多种液晶相的物质都有一个共同特性：它们的分子都是长形分子。科学家说明液晶相的传统方法是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加以说明，譬如说用人代表分子簇。物质处于液晶相时，其取向朝上的分子与朝下的分子等价。若用人而不用细棒，就是说，只要人的自身平行，无论他们的头朝上还是朝下都一样。

液晶的发现已有上百年的历史，但自二十世纪七十年代起，由于发现了液晶的一系列物理效应，才引起人们注意。液晶是一种具有特定分子结构的有机化合物凝聚体，这类有机化合物在相变时，不是由晶态直接变为液态，而是要经过一个过渡态。液晶既具有液体的流动性，又具有晶体的有序性。液晶的力学性质如同流体，但它的电、光、热等物理性质却如同晶体，具有显著的各向异性。(本段为译者增补)

二、液晶的光学特性

当光线穿过液晶时，液晶的许多迷人特性都表现出来了，大家都知道，光通过透明物时的速度小于穿过真空时的速度。物质的折射率就是这一特性的量度，即物质光学密度的量度。如：光通过玻璃的速度小于通过空气的速度，于是就说玻璃的光学密度比空气的大。当然，用光学原理描述液晶并不太简单，而且，单用折射率进行描述根本就不可能。由于长形分子的缘故，光沿与长形分子平行的方向和沿长形分子垂直的方向通过时的速度不同。因此说液晶有双折射性(refringent)。换句话说，就是要用两个折射率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反偏振片下精确地研究液晶成为可能。这一特性，也是大多数液晶应用的基础。把液晶物质置于两块偏振片之间，其双折射性就可以清楚地展现出来。

通常，不会有光亮出现，即呈暗色，因为穿过第一块偏振片的偏振光将被第二块偏振片完全吸收。如果在两正交偏振片之间放入一般液体，什么变化也没有，因为一般液体不影响光的偏振，所以穿过第一块偏振片的偏振光仍被第二块偏振片吸收。但是，若放入液晶，其结果就大不相同，即有亮光出现。这就是说，放入液晶后，偏振光的偏振方向发生了某种旋转，因而能够从第二块偏振片上射出。

液晶对偏振光的这种效应并不难理解。试考虑光的电场矢量在任意时刻都具有与相位差为零的长形分子取向平行或垂直的分量，光穿过液晶时，两束偏振光沿同一方向以不同的速度运动，穿过液晶介质时，由于双折射的原因，一束偏振光将先于另一束偏振光，最后两束偏振光以一个相位之差而出射。由于由液晶出射的是一种椭圆形偏振光，因此一些光能够从第二块偏振片出射。液晶的这种双折射性质，已应用于各种显示。

研究液晶的最常用，最基本设备就是配有正交偏振片的显微镜。人们可以用这种显微镜辨认液晶的不同相，以及由一相转化为它相时的确切温度。通过显微镜可见，向列相与层列相A的结构迥然不同：向列相呈线状，而层列相却呈扇状。液晶其他相之间的差别通常比较细微，只有仔细加经验才能辨别。

液晶物质由一相变为它相，发生明显的视觉变化，因而是制作测温设备的理想材料。有些液晶混合物在1℃的范围内就呈现几个相，故可使温度监控十分准确。选择适当的液晶混合物来制作温度计，可以满足各种温度测量的需要。作为显示应用，具体则取决于向列相的性质，当然，向列相应该在很大的温度范围内保持不变。现在，已有在-30℃～90℃之间保持不变的向列相材料，可用于温度变化很大的情况。

三、液晶应用种种

以上，我们已经弄清了液晶的光学行为，这里我们将继而探讨怎样利用液晶的双折射性质制造实用设施。首先，我们再谈一个液晶分子的十分重要的特性：在电磁场中可以整齐排列。这一特性是组成长形分子的原子的排列结果。也是由分子中的原子键本质决定的，另一点值得一提的是，把液晶材料置于两个电极之间对电场产生响应。

这一现象的深层原理是，电场对于液晶分子的原子电荷(正核、负电子)施加力的作用，液晶分子可能在本征上一端微显正电，另一端则微显负电(叫做永久电偶极子)。在电场存在的情况下，分子的带电部分受两个相向力的作用。于是沿电场方向排列。如果液晶分子不能这样分离电荷，电场则将正电荷移至分子的一端，把负电荷移至分子的另一端(叫做感应电偶极子)。于是同佯使液晶分子在电场中整齐排列。一般说来，液晶分子要么具有永久电偶极子，要么具有感应电偶极子，这些电偶极子造成分子在电场中的整齐排列。大多数液晶分子对电场的响应是：整齐排列，其长形分子方向与电场方向平行。当然，也有可能有些分子整齐排列后，其长形分子轴与电场方向垂直。

液晶分子对磁场的响应和对电场的响应类似，当加上磁场时，分子中的有些电荷变成由运动电荷组成的小圈，这就是感应磁偶极子，其南北极方向沿磁场方向，感应磁偶极子的方向既有可能沿长形方向，也有可能正交于长形方向。因此，液晶分子的整齐排列要么与磁场方向平行，要么与磁场方向垂直。对于以上应用，用磁场既不方便，也不实用，故一般仅限于研究。

利用液晶分子的双折射性以及长形分子能够沿与电场方向相互平行的方向整齐排列这一性质。我们可以制作多种液晶设备。最常用的液晶显示，也可能是迄今为至研究得最广泛、最完善的显示装置就是用扭曲层列相(TN)液晶材料制作的。这种显示装置由以下部分组成：两块有透明传导镀膜的玻璃。可精确控制间隙的微调距模板，两块偏振片以及适当的液晶材料，用这些元件制作液晶显示装置并不困难。

扭曲层列相液晶显示装置的工作原理很容易理解。根据光学原理，由顶偏振片出射的偏振光完全被底偏振片吸收，结果没有光亮出现(见图1a)。若在两块传导玻璃片之间置入层列相液晶(见图1b)材料，并分别在两块玻璃片上各贴上一块取向相互垂直的偏振片，玻璃片的表面经特殊聚合物处理，并用棉纱对之沿偏振片方向抛光。抛光使得液晶分子(图中用卷烟似的圆棒表示)的长形轴取向与偏振光平行(如图1b)所示。由于顶板上的分子取向为长形轴左右取向，底板上分子的取向为长形轴前后取向，因此，层列相液晶要发生90°的旋转，故这种显示装置叫做扭曲层列相液晶显示装置，非偏振光穿过顶部的偏振片后，变成与该偏振片上的层列相液晶方向相同的偏振光，通过液晶夹层后，又变成了旋转了90°的线性偏振光。换句话说，当它到达底部偏振片时，偏振方向旋转了90°，因此，显示装置透亮。

此处值得一提的是，能使偏振光发生旋转的并非只有液晶，有些其他物质也有这种性能，例如：糖溶液由于其分子的不对称性，也能使偏振光偏振方向改变，但是其本质有所不同，液晶的这种性能是由于其长形分子相互取向的结果，尽管糖溶液(以及其他物质)和液晶都能使偏振光通过它们后方向发生变比，但发生这种变化的机理在本质上不同。

现在探讨扭曲液晶显示装置加上电场后的情景(如图1c所示)，加上电场后，分子沿与电场平行的方向整齐排列，结果破坏了90°扭曲。光通过扭曲液晶层后，偏振光的偏振方向并没有发生任何变化，因此，被底部偏振片吸收，这与图2(a)中没有液晶介质时的情景一样。如果移去电场，分子变回起初那种扭曲状态，显示装置再次变得透亮。

对于大多数的液晶显示装置，例如：手表，袖珍计算器，等等，在底偏振片的后面加上一块反光镜即可。在无电场存在的情况下，偏振光以上述方式穿过扭曲液晶夹层。当光由底偏振片出射后，反射镜把它反射回去，使它再次通过扭曲液晶夹层后再由顶偏振片出射。这时，显示装置呈亮银色，加上电场后，由顶偏振片出射的光通过夹层时，不受整齐排列的液晶分子的影响，因此完全被底偏振片吸收，于是便无光照到反光镜上，故显示装置不发亮，玻璃板上事先配备好组成阿拉伯数字的小段形电极，这样，如果给适当的字段加上电压，数字就显示出来。

一种崭新的液晶技术——掺聚合物液晶显示(PDLC)装置正在诞生之中，其工作原理就是电控光散射这一独特原理。也就是说，显示装置透亮程度可以通过电控制使之呈乳白色、不发亮态及透亮态.PDLC显示装置由两块传导玻璃中间夹上掺聚合物的液晶构成。液晶呈被固态聚合物包围的微滴。若借用折射率参量进行讨论，我们必须考虑三个主要值：np(聚合物折射率)，n‖(与长形液晶分子平行的折射率)，以及n⊥(与长形液晶分子垂直的折射率)。怎一看，由于增加了聚合物，问题可能变得复杂化，但PDLC显示装置的工作原理(见图2)相当简单。

如图2(a)所示，若无电场存在，全部液晶微滴随机取向。投射到PDLC上的非偏振光通常和与偏振方向平行、垂直或两者之间任意夹角的微滴相互作用。因此，光通过扭曲层后，其折射率改变。结果光被大多数的微滴散射，故显示装置呈乳白色。

如图2(b)所示，若有电场存在，PDLC呈透亮态，这时，液晶微滴沿平行于电场的方向整齐排列，非偏振光通过时，要受n⊥的作用。若np与n⊥相匹配时，发生在微滴边缘的散射最小，这时显示装置呈透亮态，若移去电场，微滴返回随机取向。显示装置也返回到起初的乳白色状态。

PDLC显示装置的主要优点是，不需要偏振片，成本低，而且容易制造，另一个优点是可以与各种灵活透明电极一起使用。可以预言，在不久的将来，PDLC显示装置将会商业化，与用户见面，将用于大型办公楼的太阳能控制，汽车上的阳顶，私密性强的窗户，也可能用于大型广告牌。

四、为何要研究液晶?

在今天的科技时代，液晶显示装置已成为传递信息的压倒一切的工具，每个人在其生活中都与这样或者那样的液晶装置打交道，您的手表、袖珍计算器、音响设备、您汽车上的车速表或钟表，很可能您家中的电器都带有液晶显示。计算机工业如今正在制造折叠式计算机，其终端就采用液晶显示。因为液晶显示终端的功耗小，体积比一般阴极射线管终端小得多。若把光源放在后面，并使用滤色后。还可能制造折叠计算机的彩显终端。当然这种设备也有它的缺点;清晰度仍然有限。目前，大量的研究工作正在围绕该问题展开。

液晶不仅为各种应用提供了无穷无尽的可能，而且其奇特的性质多年来一直为广大科学家颇感兴趣。从现在到遥远的未来，液晶的独特性质以及诸相，将一直是物理学家关注的焦点。1991年度诺贝尔物理学奖获得者P.G德格尼斯(deGennes)教授之所以获此大奖，部分原因就是因为他为液晶物理学作出了巨大的贡献。现在，把液晶问题引入物理学的引论课程的时机比以往任何时假都更加成熟。大家都听说过液晶，但很少有人真正了解它的特性。在讨论物相、物质的电磁特性、光学特性、偏振概念、物相转变以及折射率时，液晶也是一个理想的讨论题目。至关重要的是，液晶可以在基础物理学和应用技术之间架起一座桥梁。我们经常听到学生说：“我学这个到底有什么用?”难道不是这样吗?