淺述液晶相轉(zhuǎn)變

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0 引言

關(guān)于物質(zhì)的狀態(tài)，除了廣為人知的氣態(tài)，液態(tài)和固態(tài)以外，介于固態(tài)和液態(tài)之間的液晶態(tài)也具有很好的研究前景和應(yīng)用前景。隨著時代發(fā)展和科技進(jìn)步，對液晶相行為的研究也取得了一定的進(jìn)展。相態(tài)的宏觀描述主要來源于物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，其與溫度，熵，壓力以及自由能相關(guān)。可以利用差示掃描量熱儀(DSC)觀察其兩種類型液晶的熱轉(zhuǎn)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(xué)穩(wěn)定性，并用Avrami方程計算分析液晶的相轉(zhuǎn)變動力學(xué)。從微觀層面上看，相轉(zhuǎn)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(lián)系起來，使得對于相轉(zhuǎn)變過程有更加清晰的認(rèn)識。本文就液晶相轉(zhuǎn)變的基本含義，發(fā)展史及目前相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1 液晶的基本概念及應(yīng)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(tài)。它既保留了固態(tài)晶體的有序排列性，又有著液體的流動性和連續(xù)性，且具有雙折射的性質(zhì)。1迄今為止許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了不同的液晶并根據(jù)其有序性的遞增進(jìn)行了相態(tài)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(jù)取向和層的法線的位置關(guān)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(nèi)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(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲浴?/p>

液晶具有將移動性與結(jié)構(gòu)相結(jié)合并允許化學(xué)物質(zhì)通過的重要特征，且能將光熱電信號的相互轉(zhuǎn)換，因此在生活中有廣泛的應(yīng)用，比如高級輪胎，液晶顯示屏，醫(yī)學(xué)檢查，紅外測定及成像，農(nóng)用機(jī)械，高信息量器件(如計算機(jī)終端、通信及攝像監(jiān)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(jī)械力、電磁場、溫度和化學(xué)環(huán)境等影響，所需要的驅(qū)動電壓和功耗極低，而且可靠性高。(2)液晶顯示能在明亮環(huán)境下工作，不受他強(qiáng)光的干擾，且外界光線越強(qiáng)，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(zhuǎn)變的發(fā)展史

相變的級數(shù)是由其平衡熱力學(xué)所涉及的自由能函數(shù)求導(dǎo)后是否連續(xù)來定義的。k級轉(zhuǎn)變被定義為自由能的k-1級導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的，而自由能的k級導(dǎo)數(shù)在等壓或者等容條件下不連續(xù)。[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(zhuǎn)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(chǎn)生一階躍遷。總的來說，在相變中，結(jié)晶行為，晶體熔融以及部分液晶轉(zhuǎn)變等屬于一級轉(zhuǎn)變，而臨界點處固相與液相之間的轉(zhuǎn)變，順磁-鐵磁相變，超導(dǎo)，超流等屬于二級轉(zhuǎn)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(dǎo)致熱致行為的原因。液晶相變的熱力學(xué)性質(zhì)主要由液晶與各向同性液體和固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的有序性，同時也制約著液晶相變中相異部分的熱力學(xué)配比。[3]

將液晶相引入嵌段共聚物是潛在地制造新型結(jié)構(gòu)和功能材料的一種方法。液晶相變的相關(guān)研究不僅對動力學(xué)熱力學(xué)領(lǐng)域的推進(jìn)非常重要，更是為新時代的生物技術(shù)及科技產(chǎn)業(yè)提供了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。[4-5]

4 結(jié)語

液晶的相變作為軟物質(zhì)領(lǐng)域中不可或缺的部分，向我們展示了軟物質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系及現(xiàn)象規(guī)律，且隨著研究的進(jìn)行和技術(shù)的發(fā)展，液晶越來越多的性能被人們開發(fā)，在人們的日常生活中擔(dān)任著越來越重要的角色。為了能在國際科技產(chǎn)業(yè)站穩(wěn)腳，我們必須努力創(chuàng)新液晶的性能研究與開發(fā)，比如納米級別下液晶的性能改善，并結(jié)合其實用性將其應(yīng)用推廣，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益。