手性液晶研究.doc

第1章绪论1.1液晶简介1.1.1液晶的概念物质在自然界中通常以固态、液态和气态形式存在，即常说的三相态。在外界条件发生变化时(如压力或温度发生变化)，物质可以在三种相态之间进行转换，即发生所谓的相变。大多数物质发生相变时直接从一种相态转变为另一种相态，中间没有过渡态生成。例如冰受热后从有序的固态晶体直接转变成分子呈无序状态的液态。但有的物质结晶受热熔融或被溶剂溶解后，虽然失去固体物质的刚性，而获得液态物质的流动性，却仍然部分地保存着晶态物质的有序排列，从而在物理性质上呈现各向异性，形成一种兼有晶体和液体性质的过渡状态，这种中间状态称为液晶态，处在这种状态的物质称为液晶(liquidcrystalline,LC)[1~3]。其重要特性是其聚集状态在一定限度上既类似于晶体，分子呈有序排列；又类似于液体，有一定的流动性。因此，液晶是介于各向同性的液体和完全有序的晶体之间的一种取向有序的流体，它既有液体的流动性，又有晶体的双折射等特性。液晶是处在液体状态的物质，因此，构成液晶的分子的质量中心可以作长程移动，使物质保存一般流体的一些特性。但处在液晶态的分子都倾向于沿同一方向排列，但在较大的范围内分子的排列取向可以是不同的。以长棒分子为例，图1.1给出了有序性液晶处在液体和晶体之间的液晶分子排列示意图。晶体液晶液体图1.1晶体、液晶、液体分子排列示意图Fig.1.1Arrangementofcrystalline,liquidcrystalsandliquidmolecules液晶分子排列的有序度可以用有序参数S来表达为式：(1.1)式(1.1)中θ是指向矢n和分子长轴的夹角，当分子完全有序时(如晶体)，θ=0o，则S=1；对于完全各向同性的液体而言，S=0；液晶的有序参数S则通常在0~1之间。有序参数S是一个非常重要的物理量，它表征液晶物理性质各向异性的限度，直接影响液晶的物理性质诸如弹性常数、粘滞系数、介电各向异性、双折射值的大小。1.1.2液晶的发展简史液晶的研究可追溯至19世纪中叶，但初次明确结识液晶是在1888年，由奥地利植物学家F.Reinitzer[4]观测到的。他在加热苯甲酸胆甾醇酯时，发现这种化合物的熔化现象十分特殊，145.5℃时熔化为乳浊的液体，178.5℃时变为清亮的液体；冷却时先出现紫蓝色，不久颜色消失出现浑浊状液体，继续冷却，再次出现紫蓝色，然后结晶。翌年，根据F.Reinitzer提供的线索，德国著名物理学家O.Lehmann用偏光显微镜观测了这种化合物，发现浑浊状的中间相具有和晶体相似的性质，于是他把这种具有各向异性和流动性的液体称为液晶。液晶这一新相态的发现吸引了众多研究者，随后，有关液晶的合成与理论研究迅速开展起来。在20世纪初，G.Friedel确立了液晶的定义[5]；E.Bose提出了液晶的相态理论[6]；O.Wiener等发展了液晶的双折射理论[7]；V.Grandjean等研究了液晶化合物分子取向机理和液晶相的织构[8]。在192023~1933年间，G.Friedel、W.Kast和C.W.Oseen等共同创建了晶体连续体理论，提出了液晶态物质的有序参数和取向有序等概念[9]，并开展了液晶化合物的化学合成和物理实验研究工作。此后，液晶的物理性质，如外场对液晶性质的影响、液晶的电导率和介电常数等相继得到研究，值得特别指出的是V.Freederickzs等发现了向列相液晶在电磁场作用下的变形及其阈值，即Freederickzs转变。这一现象是最早实用化的扭曲向列相液晶显示器(TN–LCD)和目前常见的超扭曲向列液晶显示器(STN–LCD)以及薄膜晶体管液晶显示器(TFT–LCD)的理论基础。在四十年代，V.Tsvekov首创了液晶相的X-射线分析，并研究了液晶相的磁各向异性[10]。在1933年~1945年间，D.Vorlander研究了液晶化合物的结构与相变之间的关系。指出其分子应为棒状，并合成了大量同系物系列液晶化合物，总结出同系列液晶化合物相变性质变化的一般规律。直到1957年，G.H.Brown[11]等整理了从1888年到1956年约70年间近500篇有关液晶方面的资料，发表在《ChemicalReview》上，才引起科学界的重视。与此同时，液晶的应用研究也取得了一些成果。20世纪60年代，J.L.Fergason等系统研究了胆甾相液晶的性质，并根据其液晶的颜色变化设计出了测定表面温度的产品。G.H.Heilmier开始研究向列相液晶的光电和其它性质，并根据其光电效应制成了数字显示器、液晶钟表等产品，开创了液晶电子学。此外，美国的W.H.公司发表了液晶在平面电视、彩色电视等方面有应用前景的报道[12]。G.W.Gray[13]等发表了专著《MolecularStructureandPr