1b-液晶相
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液晶化学结构和液晶相
1
液晶的发现
1888年奥地利植物学家莱尼茨尔发现。 Friedrich Reinitzer
胆甾醇苯甲酸脂 cholesteryl benzoate 145.5℃ 冷却 雾状液体 ??? 178.5℃ 透明液体 冷却
德国科学家Otto Lehnmann通过偏光 显微镜观察,确认了这个新的物质形态 Fliessende Krystalle (德语)，液晶 Liquid Crystals, mesomorphous … …
2
液晶的显示应用
缺乏应用前景，沉寂了近半个世纪 1963年Williams发现第一个液晶光电效应-Williams畴 1968年Heilmeier发现动态散射效应，液晶显示诞生 1969年第一个室温液晶MBBA; 1974年Gray发现了晴基联苯室温液 晶5CB, 5CB有相当宽的液晶相温度，性能稳定等 液晶起源于欧洲，大量液晶材料发现于欧洲，德国Merck成为世界上 最大的液晶生产商之一 液晶显示诞生于美国，但亚洲居于液晶显示发展的重心，日本、韩国、 中国及中国台湾 de Gennes-1991年诺贝尔物理奖；Gray-1995年京都奖；Kwolek 发明了液晶高分子Kevlar超强纤维-1996年美国化学工程学会奖… …
22
六方密堆溶致液晶
C12EO8
Hexagonal Close Packing
P63/mmc
Journal of Physical Chemistry B, 111, 5174-5179, 2007
23
6
几种重要的液晶材料（1）
胆甾醇苯甲酸脂（cholesteryl benzoate)
固态-146.8 ℃ -液晶（胆甾相）-180.6 ℃ -液体
7
几种重要的液晶材料（2）
MBBA-人工合成的室温液晶
晶态（Cr）-22 ℃ -向列相（N）-48 ℃ -液态（I）
8
几种重要的液晶材料（3）
5CB-室温液晶
18
树枝状液晶分子 (Dendrimers)
19
液晶相的几种常见结构
0维：向列相（nematic) 胆甾相(Cholesteric) 1维：层列相(smectic) 2维：柱状相(columnar) 3维：立方相(cubic)等
20
溶致液晶
溶致液晶是由双亲化合物与极性溶剂组成的二元或多元体系 双亲化合物(amphiphilic)含有亲水分子(hydrophile)和疏水 分子(hydrophobic)
晶态（Cr）-24 ℃-向列相（N）-35.5 ℃-液态（I）
9
几种重要的液晶材料（4）
DOBAMBC：第一个呈铁电性的液晶
MHPOBC：反铁电性的液晶
铁电性是指永久自发极化强度的方向可以因为外加电场的反向而反向.
10
液晶的分类
不同的液晶性物质呈现液晶态的方式不同 （1）热致液晶 thermotropic：改变温度 （2）溶致液晶 lyotropic：改变溶液浓度
具有单轴晶体的光学性质，对外界作用非常 敏感，是液晶显示器件的主要材料。
12
胆甾相液晶
胆甾相 (cholesteric)：最早是从胆甾醇类物质 中发现的；由相互重叠的向列相平面堆积而成， 可看作向列相的特例 分为甾体液晶和非甾体液晶两类 手性液晶是一种非甾体液晶。特点：在向列相液晶的分子结构中含 有不对称手性中心的碳原子，同样具有胆甾相液晶所特有的螺旋结 构。
按照液晶分子的排列有序，热致液晶可分为： （1）向列相（nematic) （2）胆甾相 (cholesteric) （3）近晶相或层列相 (smectic)
11
向列相液晶
向列相(nematic):由希腊语而来，丝状之意， 因这种液晶的薄层在偏光显微镜下观察时， 呈现丝状型织构； 特性： 1. 2. 分子的排列没有次序性，没有平移有序； 分子的取向存在一定程度的次序性，分子倾向平行于某个共同的 方向去排列，如图所示，我们定义这个方向为指向矢量(Director Axis)，以n表示
21
溶致液晶
多数溶致液晶具有层状结构，称为层状相。 亲分子层彼此平行排列并被水层分隔
当双亲分子浓度减少，即水的浓度增加 时，双亲分子与水接触的面积增大， 溶致液晶的层状结构变成为由球状 胶团组成的立方结构
立方相体系中的水含量继续增多时， 体系结构将转变为由柱形胶团组成的 六方相结构。
在生物体内有许多类似的结构，最典型的是细胞膜结构
4
液晶的结构特点
两个特点 （1）分子是细长的；（2）分子是刚性的
末端基的X和Y，有烷基（-R）、烷氧基（-OR）、烷基酯 （-O-CO-R），羧基（-CO）、氰（-CN）或硝基（-NO ） 等取代基。R大部分是直线状链，其链长往往影响液晶的相变 温度。
5
作为连结苯环或联苯环的A，多数是甲亚胺（-CH=N-）、 偶氮（-N=N-）、氧化偶氮或脂。这些功能团都有双键，因 而与两侧的苯环形成某种程度的共轭，提高了整个分子的刚 性。现代广泛应用的联苯和三联苯液晶是将中间桥键去掉的 结构。
3
液晶-物质状态之一
液晶态是介于晶态与液态之间的各向异性液体，被称为第四态 （气态、液态和固态），也称为软物质 (soft matters) 液晶态具有液体的可流动性和晶体的 双折射性等各向异性的性质 液晶态的特征是：取向有序 具有液晶相的分子都是有柔软的 长链部分及硬核部分组成。 用于显示的大部分是小分子液晶材料 高分子材料也可以形成液晶，大量用 于高强度高模量纤维、复合材料，如 Kevlar纤维；侧链型高分子液晶在很多方面都发现了用途
13
手性(chiral)分子
若一物体无法与其镜像重合，则称 此物体具有手性性质(chirality)
14
近晶相液晶
近晶相 或层状相 (smectic)，更接近于晶体，出现在比向列 相更低的温区
15
16
液晶的分类
固相→近晶相C→近晶相A →向列相→各向同性液体
17
盘状液晶分子
1977年印度科学家Chadrasekhar首次合成了 盘状液晶分子(Discotic Liquid Crystals) 中心有一块刚性的平板状芳香核心， 外围连着3，4，6，8，9条较柔顺的侧链
1
液晶的发现
1888年奥地利植物学家莱尼茨尔发现。 Friedrich Reinitzer
胆甾醇苯甲酸脂 cholesteryl benzoate 145.5℃ 冷却 雾状液体 ??? 178.5℃ 透明液体 冷却
德国科学家Otto Lehnmann通过偏光 显微镜观察,确认了这个新的物质形态 Fliessende Krystalle (德语)，液晶 Liquid Crystals, mesomorphous … …
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液晶的显示应用
缺乏应用前景，沉寂了近半个世纪 1963年Williams发现第一个液晶光电效应-Williams畴 1968年Heilmeier发现动态散射效应，液晶显示诞生 1969年第一个室温液晶MBBA; 1974年Gray发现了晴基联苯室温液 晶5CB, 5CB有相当宽的液晶相温度，性能稳定等 液晶起源于欧洲，大量液晶材料发现于欧洲，德国Merck成为世界上 最大的液晶生产商之一 液晶显示诞生于美国，但亚洲居于液晶显示发展的重心，日本、韩国、 中国及中国台湾 de Gennes-1991年诺贝尔物理奖；Gray-1995年京都奖；Kwolek 发明了液晶高分子Kevlar超强纤维-1996年美国化学工程学会奖… …
22
六方密堆溶致液晶
C12EO8
Hexagonal Close Packing
P63/mmc
Journal of Physical Chemistry B, 111, 5174-5179, 2007
23
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几种重要的液晶材料（1）
胆甾醇苯甲酸脂（cholesteryl benzoate)
固态-146.8 ℃ -液晶（胆甾相）-180.6 ℃ -液体
7
几种重要的液晶材料（2）
MBBA-人工合成的室温液晶
晶态（Cr）-22 ℃ -向列相（N）-48 ℃ -液态（I）
8
几种重要的液晶材料（3）
5CB-室温液晶
18
树枝状液晶分子 (Dendrimers)
19
液晶相的几种常见结构
0维：向列相（nematic) 胆甾相(Cholesteric) 1维：层列相(smectic) 2维：柱状相(columnar) 3维：立方相(cubic)等
20
溶致液晶
溶致液晶是由双亲化合物与极性溶剂组成的二元或多元体系 双亲化合物(amphiphilic)含有亲水分子(hydrophile)和疏水 分子(hydrophobic)
晶态（Cr）-24 ℃-向列相（N）-35.5 ℃-液态（I）
9
几种重要的液晶材料（4）
DOBAMBC：第一个呈铁电性的液晶
MHPOBC：反铁电性的液晶
铁电性是指永久自发极化强度的方向可以因为外加电场的反向而反向.
10
液晶的分类
不同的液晶性物质呈现液晶态的方式不同 （1）热致液晶 thermotropic：改变温度 （2）溶致液晶 lyotropic：改变溶液浓度
具有单轴晶体的光学性质，对外界作用非常 敏感，是液晶显示器件的主要材料。
12
胆甾相液晶
胆甾相 (cholesteric)：最早是从胆甾醇类物质 中发现的；由相互重叠的向列相平面堆积而成， 可看作向列相的特例 分为甾体液晶和非甾体液晶两类 手性液晶是一种非甾体液晶。特点：在向列相液晶的分子结构中含 有不对称手性中心的碳原子，同样具有胆甾相液晶所特有的螺旋结 构。
按照液晶分子的排列有序，热致液晶可分为： （1）向列相（nematic) （2）胆甾相 (cholesteric) （3）近晶相或层列相 (smectic)
11
向列相液晶
向列相(nematic):由希腊语而来，丝状之意， 因这种液晶的薄层在偏光显微镜下观察时， 呈现丝状型织构； 特性： 1. 2. 分子的排列没有次序性，没有平移有序； 分子的取向存在一定程度的次序性，分子倾向平行于某个共同的 方向去排列，如图所示，我们定义这个方向为指向矢量(Director Axis)，以n表示
21
溶致液晶
多数溶致液晶具有层状结构，称为层状相。 亲分子层彼此平行排列并被水层分隔
当双亲分子浓度减少，即水的浓度增加 时，双亲分子与水接触的面积增大， 溶致液晶的层状结构变成为由球状 胶团组成的立方结构
立方相体系中的水含量继续增多时， 体系结构将转变为由柱形胶团组成的 六方相结构。
在生物体内有许多类似的结构，最典型的是细胞膜结构
4
液晶的结构特点
两个特点 （1）分子是细长的；（2）分子是刚性的
末端基的X和Y，有烷基（-R）、烷氧基（-OR）、烷基酯 （-O-CO-R），羧基（-CO）、氰（-CN）或硝基（-NO ） 等取代基。R大部分是直线状链，其链长往往影响液晶的相变 温度。
5
作为连结苯环或联苯环的A，多数是甲亚胺（-CH=N-）、 偶氮（-N=N-）、氧化偶氮或脂。这些功能团都有双键，因 而与两侧的苯环形成某种程度的共轭，提高了整个分子的刚 性。现代广泛应用的联苯和三联苯液晶是将中间桥键去掉的 结构。
3
液晶-物质状态之一
液晶态是介于晶态与液态之间的各向异性液体，被称为第四态 （气态、液态和固态），也称为软物质 (soft matters) 液晶态具有液体的可流动性和晶体的 双折射性等各向异性的性质 液晶态的特征是：取向有序 具有液晶相的分子都是有柔软的 长链部分及硬核部分组成。 用于显示的大部分是小分子液晶材料 高分子材料也可以形成液晶，大量用 于高强度高模量纤维、复合材料，如 Kevlar纤维；侧链型高分子液晶在很多方面都发现了用途
13
手性(chiral)分子
若一物体无法与其镜像重合，则称 此物体具有手性性质(chirality)
14
近晶相液晶
近晶相 或层状相 (smectic)，更接近于晶体，出现在比向列 相更低的温区
15
16
液晶的分类
固相→近晶相C→近晶相A →向列相→各向同性液体
17
盘状液晶分子
1977年印度科学家Chadrasekhar首次合成了 盘状液晶分子(Discotic Liquid Crystals) 中心有一块刚性的平板状芳香核心， 外围连着3，4，6，8，9条较柔顺的侧链