淺述液晶相轉變

深圳大學 廣東 深圳 518000

0 引言

關于物質的狀態，除了廣為人知的氣態，液態和固態以外，介于固態和液態之間的液晶態也具有很好的研究前景和應用前景。隨著時代發展和科技進步，對液晶相行為的研究也取得了一定的進展。相態的宏觀描述主要來源于物質的熱力學性質，其與溫度，熵，壓力以及自由能相關。可以利用差示掃描量熱儀(DSC)觀察其兩種類型液晶的熱轉變以及整個體系有序-無序-有序的熱可逆過程，探究其熱力學穩定性，并用Avrami方程計算分析液晶的相轉變動力學。從微觀層面上看，相轉變過程中微觀分子相互作用和運動，可以通過X射線衍射實驗和似晶格模型模擬推測的分子微觀排列，將其與宏觀性能聯系起來，使得對于相轉變過程有更加清晰的認識。本文就液晶相轉變的基本含義，發展史及目前相關研究進行綜述。

1 液晶的基本概念及應用

液晶相是聚合物處于晶體熔融溫度與液體清亮溫度之間的相態。它既保留了固態晶體的有序排列性，又有著液體的流動性和連續性，且具有雙折射的性質。1迄今為止許多學者發現了不同的液晶并根據其有序性的遞增進行了相態分類，如棒狀液晶(向列相，近晶相，膽甾相等)，柱狀和立方型液晶等。[1]根據取向和層的法線的位置關系又能將近晶相分為正交相和傾斜相。其中近晶相，膽甾相的分子排列分層，且層內的分子互相平行。不同于近晶相的一點是，膽甾相中不同層分子之間存在螺旋結構。而向列相的分子排列不分層，分子的指向大多趨于一個方向。隨著溫度的升高，向列相由各向異性轉變為各向同性。

液晶具有將移動性與結構相結合并允許化學物質通過的重要特征，且能將光熱電信號的相互轉換，因此在生活中有廣泛的應用，比如高級輪胎，液晶顯示屏，醫學檢查，紅外測定及成像，農用機械，高信息量器件(如計算機終端、通信及攝像監視器)，家電等。其中，液晶最常用于顯示屏，主要因為：(1)液晶分子之間的作用力非常小，容易受機械力、電磁場、溫度和化學環境等影響，所需要的驅動電壓和功耗極低，而且可靠性高。(2)液晶顯示能在明亮環境下工作，不受他強光的干擾，且外界光線越強，顯示的字符圖像越清晰。(3)液晶顯示器件的尺寸可大可小，能做到輕、薄和便攜，使用十分方便。(4)尤其是液晶基本無輻射，不危害人體健康。

2 相變中k級轉變的發展史

相變的級數是由其平衡熱力學所涉及的自由能函數求導后是否連續來定義的。k級轉變被定義為自由能的k-1級導數是連續的，而自由能的k級導數在等壓或者等容條件下不連續。[2]在1959年至1961年，Tobolski和Eisenberg研究出了一種適用于活性聚合物的平均值場處理方法，該方法能夠證明部分聚合物相變屬于二級轉變。同時，他們還列舉了一些簡單的聚合模型，指出在上限溫度下聚合物可產生一階躍遷。總的來說，在相變中，結晶行為，晶體熔融以及部分液晶轉變等屬于一級轉變，而臨界點處固相與液相之間的轉變，順磁-鐵磁相變，超導，超流等屬于二級轉變。

3 液晶的相變

分子形狀的不對稱以及分子間力的各向異性是液晶分子的重要特征，這也是導致熱致行為的原因。液晶相變的熱力學性質主要由液晶與各向同性液體和固態晶體結構的相近程度決定。相變過程中涉及的焓值和熵值的變化取決于反應物本身的焓值和熵值。相對來說，定量分析液晶相變是有一定難度的，主要是因為液晶分子中剛性液晶基元和柔性尾鏈相異。不僅如此，分子間的相互作用不僅影響著結構的有序性，同時也制約著液晶相變中相異部分的熱力學配比。[3]

將液晶相引入嵌段共聚物是潛在地制造新型結構和功能材料的一種方法。液晶相變的相關研究不僅對動力學熱力學領域的推進非常重要，更是為新時代的生物技術及科技產業提供了堅實的科學基礎。[4-5]

4 結語

液晶的相變作為軟物質領域中不可或缺的部分，向我們展示了軟物質的內在聯系及現象規律，且隨著研究的進行和技術的發展，液晶越來越多的性能被人們開發，在人們的日常生活中擔任著越來越重要的角色。為了能在國際科技產業站穩腳，我們必須努力創新液晶的性能研究與開發，比如納米級別下液晶的性能改善，并結合其實用性將其應用推廣，實現經濟收益。