手性液晶研究

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1、第1章緒論1.1液晶簡介1.1.1液晶的概念物質(zhì)在自然界中通常以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)形式存在，即常說的三相態(tài)。在外界條件發(fā)生變化時(如壓力或溫度發(fā)生變化)，物質(zhì)可以在三種相態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即發(fā)生所謂的相變。大多數(shù)物質(zhì)發(fā)生相變時直接從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)，中間沒有過渡態(tài)生成。例如冰受熱后從有序的固態(tài)晶體直接轉(zhuǎn)變成分子呈無序狀態(tài)的液態(tài)。但有的物質(zhì)結(jié)晶受熱熔融或被溶劑溶解后，雖然失去固體物質(zhì)的剛性，而獲得液態(tài)物質(zhì)的流動性，卻仍然部分地保存著晶態(tài)物質(zhì)的有序排列，從而在物理性質(zhì)上呈現(xiàn)各向異性，形成一種兼有晶體和液體性質(zhì)的過渡

2、狀態(tài)，這種中間狀態(tài)稱為液晶態(tài)，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為液晶(liquidcrystalline,LC)[1~3]。其主要特征是其聚集狀態(tài)在一定程度上既類似于晶體，分子呈有序排列；又類似于液體，有一定的流動性。因此，液晶是介于各向同性的液體和完全有序的晶體之間的一種取向有序的流體，它既有液體的流動性，又有晶體的雙折射等特征。液晶是處于液體狀態(tài)的物質(zhì)，因此，構(gòu)成液晶的分子的質(zhì)量中心可以作長程移動，使物質(zhì)保留一般流體的一些特征。但處于液晶態(tài)的分子都傾向于沿同一方向排列，但在較大的范圍內(nèi)分子的排列取向可以是不同的。以長棒分子

3、為例，圖1.1給出了有序性液晶處于液體和晶體之間的液晶分子排列示意圖。晶體液晶液體圖1.1晶體、液晶、液體分子排列示意圖Fig.1.1Arrangementofcrystalline,liquidcrystalsandliquidmolecules液晶分子排列的有序度可以用有序參數(shù)S來表示為式：(1.1)式(1.1)中θ是指向矢n和分子長軸的夾角，當(dāng)分子完全有序時(如晶體)，θ=0o，則S=1；對于完全各向同性的液體而言，S=0；液晶的有序參數(shù)S則通常在0~1之間。有序參數(shù)S是一個非常重要的物理量，它表征液晶物理性

4、質(zhì)各向異性的程度，直接影響液晶的物理性質(zhì)諸如彈性常數(shù)、粘滯系數(shù)、介電各向異性、雙折射值的大小。1.1.2液晶的發(fā)展簡史液晶的研究可追溯至19世紀(jì)中葉，但首次明確認(rèn)識液晶是在1888年，由奧地利植物學(xué)家F.Reinitzer[4]觀察到的。他在加熱苯甲酸膽甾醇酯時，發(fā)現(xiàn)這種化合物的熔化現(xiàn)象十分特殊，145.5℃時熔化為乳濁的液體，178.5℃時變?yōu)榍辶恋囊后w；冷卻時先出現(xiàn)紫藍(lán)色，不久顏色消失出現(xiàn)渾濁狀液體，繼續(xù)冷卻，再次出現(xiàn)紫藍(lán)色，然后結(jié)晶。翌年，根據(jù)F.Reinitzer提供的線索，德國著名物理學(xué)家O.Lehman

5、n用偏光顯微鏡觀察了這種化合物，發(fā)現(xiàn)渾濁狀的中間相具有和晶體相似的性質(zhì)，于是他把這種具有各向異性和流動性的液體稱為液晶。液晶這一新相態(tài)的發(fā)現(xiàn)吸引了眾多研究者，隨后，有關(guān)液晶的合成與理論研究迅速開展起來。在20世紀(jì)初，G.Friedel確立了液晶的定義[5]；E.Bose提出了液晶的相態(tài)理論[6]；O.Wiener等發(fā)展了液晶的雙折射理論[7]；V.Grandjean等研究了液晶化合物分子取向機理和液晶相的織構(gòu)[8]。在1922年~1933年間，G.Friedel、W.Kast和C.W.Oseen等共同創(chuàng)立了晶體連續(xù)

6、體理論，提出了液晶態(tài)物質(zhì)的有序參數(shù)和取向有序等概念[9]，并開展了液晶化合物的化學(xué)合成和物理實驗研究工作。此后，液晶的物理性質(zhì)，如外場對液晶性質(zhì)的影響、液晶的電導(dǎo)率和介電常數(shù)等相繼得到研究，值得特別指出的是V.Freederickzs等發(fā)現(xiàn)了向列相液晶在電磁場作用下的變形及其閾值，即Freederickzs轉(zhuǎn)變。這一現(xiàn)象是最早實用化的扭曲向列相液晶顯示器(TN–LCD)和目前常見的超扭曲向列液晶顯示器(STN–LCD)以及薄膜晶體管液晶顯示器(TFT–LCD)的理論基礎(chǔ)。在四十年代，V.Tsvekov首創(chuàng)了液晶相的

7、X-射線分析，并研究了液晶相的磁各向異性[10]。在1933年~1945年間，D.Vorlander研究了液晶化合物的結(jié)構(gòu)與相變之間的關(guān)系。指出其分子應(yīng)為棒狀，并合成了大量同系物系列液晶化合物，總結(jié)出同系列液晶化合物相變性質(zhì)變化的一般規(guī)律。直到1957年，G.H.Brown[11]等整理了從1888年到1956年約70年間近500篇有關(guān)液晶方面的資料，發(fā)表在《ChemicalReview》上，才引起科學(xué)界的重視。與此同時，液晶的應(yīng)用研究也取得了一些成果。20世紀(jì)60年代，J.L.Fergason等系統(tǒng)研究了膽甾相液

8、晶的性質(zhì)，并根據(jù)其液晶的顏色變化設(shè)計出了測定表面溫度的產(chǎn)品。G.H.Heilmier開始研究向列相液晶的光電和其它性質(zhì)，并根據(jù)其光電效應(yīng)制成了數(shù)字顯示器、液晶鐘表等產(chǎn)品，開創(chuàng)了液晶電子學(xué)。此外，美國的W.H.公司發(fā)表了液晶在平面電視、彩色電視等方面有應(yīng)用前景的報道[12]。G.W.Gray[13]等發(fā)表了專著《MolecularStructureandPro