液晶應(yīng)用前景

　　在我們的日常生活中，一般物質(zhì)以三種形態(tài)——固相、液相、氣相而存在。眾所周知，在常壓下，水在0℃以下呈固相(冰)，在0℃～100℃時(shí)呈液相，在100℃以上時(shí)則變?yōu)闅庀?水蒸氣)。雖然中學(xué)課本中都是這么說(shuō)的，然而，物質(zhì)的這三種形態(tài)決非其形態(tài)的全部。實(shí)際上有許多種有機(jī)物，都呈現(xiàn)一種介乎于液相與固相之間的形態(tài)，科學(xué)家稱這種異常物質(zhì)形態(tài)為“液晶”。“液晶”這一術(shù)語(yǔ)乍聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)矛盾，而它的確是一種具有各種迷人特性，并可廣泛實(shí)際應(yīng)用的物質(zhì)形態(tài)。

　　一百多年前，一位名叫F·賴尼策爾的奧地利植物學(xué)家在一種膽固醇的衍生物——膽甾醇苯酸酯中首先發(fā)現(xiàn)了一種新奇的物質(zhì)相。在由固相融為液相的過(guò)程中，這種衍生物呈現(xiàn)出了一種奇特的、用當(dāng)時(shí)的幼稚物質(zhì)理論無(wú)法解釋的特性。此后，科學(xué)家做過(guò)種種研究，試圖弄清楚這種豐富多彩的物質(zhì)形態(tài)——液晶相。液晶除了是一種物質(zhì)從固相化為液相過(guò)程中的一種異常物相外，還具有其他新穎的性質(zhì)。例如：對(duì)電場(chǎng)發(fā)生響應(yīng)，影響光偏振等。二十多年前，液晶的這種電、光特性首次被用來(lái)傳遞信息。今天，液晶顯示(LCD)已廣泛地用于手表、計(jì)算器、飛機(jī)以及其他各種設(shè)備。在今天這個(gè)科技時(shí)代，液晶已充當(dāng)了人與機(jī)器之間的至關(guān)重要的接口，并且可以預(yù)測(cè)，在未來(lái)，隨著對(duì)信息顯示需求的與日俱增，液晶顯示將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。目前，液晶顯示正在用于各類(lèi)計(jì)算機(jī)彩顯終端。

　　制做新式的液晶顯示，并解釋弄清這些奇特物質(zhì)行為，需要求助于許多科學(xué)領(lǐng)域的基本原理，其中以光學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)、物質(zhì)物理學(xué)尤為重要�？蒲腥藛T用了多年時(shí)間才研制并完善了一種實(shí)用型的商業(yè)性電——光液晶顯示設(shè)備。然而，液晶顯示及其原理的物理學(xué)基礎(chǔ)并非天方奇物，而是我們?nèi)粘Ｉ�活的一個(gè)部分。下文我們將介紹幾個(gè)簡(jiǎn)單試驗(yàn)及其說(shuō)明，以填充基礎(chǔ)物理學(xué)與技術(shù)之間的斷層。通過(guò)研究液晶而得到的科學(xué)概念，可以用來(lái)激發(fā)學(xué)生討論物質(zhì)的各種形態(tài)、電磁力、光散射、折射率以及光偏振等。

　　一、物理學(xué)家對(duì)物質(zhì)的描述

　　物理學(xué)家向來(lái)對(duì)應(yīng)用自然界中的基本原理解釋復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)頗感興趣，區(qū)別物質(zhì)甲相與乙相的，是其分子結(jié)構(gòu)的排列形式。例如：固相(或晶相)物質(zhì)的分子或原子在空間中占有固定的位置，因此，我們說(shuō)晶相位置有序(positionaLorder)。此外，晶相物質(zhì)分子的取向受其他分子取向的制約，所以我們說(shuō)晶相取向有序(ori-entationaLorder)。當(dāng)物質(zhì)由固相融為液相(有時(shí)稱做各向同性態(tài))時(shí)，位置有序性和取向有序性全部消失，使得分子可以自由自在的運(yùn)動(dòng)，翻騰。

　　液晶相時(shí)，物質(zhì)的分子保持了那些既象液體又象晶體的性質(zhì)。向列相(nematicphase)是液晶相中最簡(jiǎn)單、最普通的一種，其分子以類(lèi)似液相時(shí)分子的方式運(yùn)動(dòng)，不過(guò)保持沿特定方向(叫做向列準(zhǔn)線)取向。取向有序性在向列相中的程度不如晶相那么近乎完美，然則卻為一般液相不具備，該相所表現(xiàn)出的性質(zhì)既象液體，也象晶體，所以應(yīng)該給它取個(gè)新的名稱。

　　物質(zhì)常常有幾種液相，除向列相外，另一種液晶相是層列相(smecticphase)。層列相的分子分層排列，層內(nèi)分子相互平行，其取向可以與層面垂直，或與層面傾斜。層列相共分八種，隨著溫度的升高，層列相出現(xiàn)的順序?yàn)镋，H，G，F(xiàn)，I，B，C，D，A。學(xué)家通常根據(jù)其分子傾斜的角度以及層面間的位置有序性來(lái)區(qū)分各種不同的層列相，此外，生物界還發(fā)現(xiàn)了各種液晶相，例如：細(xì)胞膜。

　　一切呈現(xiàn)一種或多種液晶相的物質(zhì)都有一個(gè)共同特性：它們的分子都是長(zhǎng)形分子�？茖W(xué)家說(shuō)明液晶相的傳統(tǒng)方法是用代表分子簇的許多細(xì)棒的特定排列。當(dāng)然我們也可以用非傳統(tǒng)的方法加以說(shuō)明，譬如說(shuō)用人代表分子簇。物質(zhì)處于液晶相時(shí)，其取向朝上的分子與朝下的分子等價(jià)。若用人而不用細(xì)棒，就是說(shuō)，只要人的自身平行，無(wú)論他們的頭朝上還是朝下都一樣。

　　液晶的發(fā)現(xiàn)已有上百年的歷史，但自二十世紀(jì)七十年代起，由于發(fā)現(xiàn)了液晶的一系列物理效應(yīng)，才引起人們注意。液晶是一種具有特定分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物凝聚體，這類(lèi)有機(jī)化合物在相變時(shí)，不是由晶態(tài)直接變?yōu)橐簯B(tài)，而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡態(tài)。液晶既具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的有序性。液晶的力學(xué)性質(zhì)如同流體，但它的電、光、熱等物理性質(zhì)卻如同晶體，具有顯著的各向異性。(本段為譯者增補(bǔ))

　　二、液晶的光學(xué)特性

　　當(dāng)光線穿過(guò)液晶時(shí)，液晶的許多迷人特性都表現(xiàn)出來(lái)了，大家都知道，光通過(guò)透明物時(shí)的速度小于穿過(guò)真空時(shí)的速度。物質(zhì)的折射率就是這一特性的量度，即物質(zhì)光學(xué)密度的量度。如：光通過(guò)玻璃的速度小于通過(guò)空氣的速度，于是就說(shuō)玻璃的光學(xué)密度比空氣的大。當(dāng)然，用光學(xué)原理描述液晶并不太簡(jiǎn)單，而且，單用折射率進(jìn)行描述根本就不可能。由于長(zhǎng)形分子的緣故，光沿與長(zhǎng)形分子平行的方向和沿長(zhǎng)形分子垂直的方向通過(guò)時(shí)的速度不同。因此說(shuō)液晶有雙折射性(refringent)。換句話說(shuō)，就是要用兩個(gè)折射率來(lái)描述這種異常行為。正是這一特性，使得在光學(xué)顯微鏡的正反偏振片下精確地研究液晶成為可能。這一特性，也是大多數(shù)液晶應(yīng)用的基礎(chǔ)。把液晶物質(zhì)置于兩塊偏振片之間，其雙折射性就可以清楚地展現(xiàn)出來(lái)。

　　通常，不會(huì)有光亮出現(xiàn)，即呈暗色，因?yàn)榇┻^(guò)第一塊偏振片的偏振光將被第二塊偏振片完全吸收。如果在兩正交偏振片之間放入一般液體，什么變化也沒(méi)有，因?yàn)橐话阋后w不影響光的偏振，所以穿過(guò)第一塊偏振片的偏振光仍被第二塊偏振片吸收。但是，若放入液晶，其結(jié)果就大不相同，即有亮光出現(xiàn)。這就是說(shuō)，放入液晶后，偏振光的偏振方向發(fā)生了某種旋轉(zhuǎn)，因而能夠從第二塊偏振片上射出。

　　液晶對(duì)偏振光的這種效應(yīng)并不難理解。試考慮光的電場(chǎng)矢量在任意時(shí)刻都具有與相位差為零的長(zhǎng)形分子取向平行或垂直的分量，光穿過(guò)液晶時(shí)，兩束偏振光沿同一方向以不同的速度運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)液晶介質(zhì)時(shí)，由于雙折射的原因，一束偏振光將先于另一束偏振光，最后兩束偏振光以一個(gè)相位之差而出射。由于由液晶出射的是一種橢圓形偏振光，因此一些光能夠從第二塊偏振片出射。液晶的這種雙折射性質(zhì)，已應(yīng)用于各種顯示。

　　研究液晶的最常用，最基本設(shè)備就是配有正交偏振片的顯微鏡。人們可以用這種顯微鏡辨認(rèn)液晶的不同相，以及由一相轉(zhuǎn)化為它相時(shí)的確切溫度。通過(guò)顯微鏡可見(jiàn)，向列相與層列相A的結(jié)構(gòu)迥然不同：向列相呈線狀，而層列相卻呈扇狀。液晶其他相之間的差別通常比較細(xì)微，只有仔細(xì)加經(jīng)驗(yàn)才能辨別。

　　液晶物質(zhì)由一相變?yōu)樗�相，發(fā)生明顯的視覺(jué)變化，因而是制作測(cè)溫設(shè)備的理想材料。有些液晶混合物在1℃的范圍內(nèi)就呈現(xiàn)幾個(gè)相，故可使溫度監(jiān)控十分準(zhǔn)確。選擇適當(dāng)?shù)囊壕Щ旌衔飦?lái)制作溫度計(jì)，可以滿足各種溫度測(cè)量的需要。作為顯示應(yīng)用，具體則取決于向列相的性質(zhì)，當(dāng)然，向列相應(yīng)該在很大的溫度范圍內(nèi)保持不變�，F(xiàn)在，已有在-30℃～90℃之間保持不變的向列相材料，可用于溫度變化很大的情況。

　　三、液晶應(yīng)用種種

　　以上，我們已經(jīng)弄清了液晶的光學(xué)行為，這里我們將繼而探討怎樣利用液晶的雙折射性質(zhì)制造實(shí)用設(shè)施。首先，我們?cè)僬勔粋�(gè)液晶分子的十分重要的特性：在電磁場(chǎng)中可以整齊排列。這一特性是組成長(zhǎng)形分子的原子的排列結(jié)果。也是由分子中的原子鍵本質(zhì)決定的，另一點(diǎn)值得一提的是，把液晶材料置于兩個(gè)電極之間對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)。

　　這一現(xiàn)象的深層原理是，電場(chǎng)對(duì)于液晶分子的原子電荷(正核、負(fù)電子)施加力的作用，液晶分子可能在本征上一端微顯正電，另一端則微顯負(fù)電(叫做永久電偶極子)。在電場(chǎng)存在的情況下，分子的帶電部分受兩個(gè)相向力的作用。于是沿電場(chǎng)方向排列。如果液晶分子不能這樣分離電荷，電場(chǎng)則將正電荷移至分子的一端，把負(fù)電荷移至分子的另一端(叫做感應(yīng)電偶極子)。于是同佯使液晶分子在電場(chǎng)中整齊排列。一般說(shuō)來(lái)，液晶分子要么具有永久電偶極子，要么具有感應(yīng)電偶極子，這些電偶極子造成分子在電場(chǎng)中的整齊排列。大多數(shù)液晶分子對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)是：整齊排列，其長(zhǎng)形分子方向與電場(chǎng)方向平行。當(dāng)然，也有可能有些分子整齊排列后，其長(zhǎng)形分子軸與電場(chǎng)方向垂直。

　　液晶分子對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)和對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)類(lèi)似，當(dāng)加上磁場(chǎng)時(shí)，分子中的有些電荷變成由運(yùn)動(dòng)電荷組成的小圈，這就是感應(yīng)磁偶極子，其南北極方向沿磁場(chǎng)方向，感應(yīng)磁偶極子的方向既有可能沿長(zhǎng)形方向，也有可能正交于長(zhǎng)形方向。因此，液晶分子的整齊排列要么與磁場(chǎng)方向平行，要么與磁場(chǎng)方向垂直。對(duì)于以上應(yīng)用，用磁場(chǎng)既不方便，也不實(shí)用，故一般僅限于研究。

　　利用液晶分子的雙折射性以及長(zhǎng)形分子能夠沿與電場(chǎng)方向相互平行的方向整齊排列這一性質(zhì)。我們可以制作多種液晶設(shè)備。最常用的液晶顯示，也可能是迄今為至研究得最廣泛、最完善的顯示裝置就是用扭曲層列相(TN)液晶材料制作的。這種顯示裝置由以下部分組成：兩塊有透明傳導(dǎo)鍍膜的玻璃�？删�確控制間隙的微調(diào)距模板，兩塊偏振片以及適當(dāng)?shù)囊壕Р牧希�用這些元件制作液晶顯示裝置并不困難。

　　扭曲層列相液晶顯示裝置的工作原理很容易理解。根據(jù)光學(xué)原理，由頂偏振片出射的偏振光完全被底偏振片吸收，結(jié)果沒(méi)有光亮出現(xiàn)(見(jiàn)圖1a)。若在兩塊傳導(dǎo)玻璃片之間置入層列相液晶(見(jiàn)圖1b)材料，并分別在兩塊玻璃片上各貼上一塊取向相互垂直的偏振片，玻璃片的表面經(jīng)特殊聚合物處理，并用棉紗對(duì)之沿偏振片方向拋光。拋光使得液晶分子(圖中用卷煙似的圓棒表示)的長(zhǎng)形軸取向與偏振光平行(如圖1b)所示。由于頂板上的分子取向?yàn)殚L(zhǎng)形軸左右取向，底板上分子的取向?yàn)殚L(zhǎng)形軸前后取向，因此，層列相液晶要發(fā)生90°的旋轉(zhuǎn)，故這種顯示裝置叫做扭曲層列相液晶顯示裝置，非偏振光穿過(guò)頂部的偏振片后，變成與該偏振片上的層列相液晶方向相同的偏振光，通過(guò)液晶夾層后，又變成了旋轉(zhuǎn)了90°的線性偏振光。換句話說(shuō)，當(dāng)它到達(dá)底部偏振片時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°，因此，顯示裝置透亮。

　　此處值得一提的是，能使偏振光發(fā)生旋轉(zhuǎn)的并非只有液晶，有些其他物質(zhì)也有這種性能，例如：糖溶液由于其分子的不對(duì)稱性，也能使偏振光偏振方向改變，但是其本質(zhì)有所不同，液晶的這種性能是由于其長(zhǎng)形分子相互取向的結(jié)果，盡管糖溶液(以及其他物質(zhì))和液晶都能使偏振光通過(guò)它們后方向發(fā)生變比，但發(fā)生這種變化的機(jī)理在本質(zhì)上不同。

　　現(xiàn)在探討扭曲液晶顯示裝置加上電場(chǎng)后的情景(如圖1c所示)，加上電場(chǎng)后，分子沿與電場(chǎng)平行的方向整齊排列，結(jié)果破壞了90°扭曲。光通過(guò)扭曲液晶層后，偏振光的偏振方向并沒(méi)有發(fā)生任何變化，因此，被底部偏振片吸收，這與圖2(a)中沒(méi)有液晶介質(zhì)時(shí)的情景一樣。如果移去電場(chǎng)，分子變回起初那種扭曲狀態(tài)，顯示裝置再次變得透亮。

　　對(duì)于大多數(shù)的液晶顯示裝置，例如：手表，袖珍計(jì)算器，等等，在底偏振片的后面加上一塊反光鏡即可。在無(wú)電場(chǎng)存在的情況下，偏振光以上述方式穿過(guò)扭曲液晶夾層。當(dāng)光由底偏振片出射后，反射鏡把它反射回去，使它再次通過(guò)扭曲液晶夾層后再由頂偏振片出射。這時(shí)，顯示裝置呈亮銀色，加上電場(chǎng)后，由頂偏振片出射的光通過(guò)夾層時(shí)，不受整齊排列的液晶分子的影響，因此完全被底偏振片吸收，于是便無(wú)光照到反光鏡上，故顯示裝置不發(fā)亮，玻璃板上事先配備好組成阿拉伯?dāng)?shù)字的小段形電極，這樣，如果給適當(dāng)?shù)淖侄渭由想妷海瑪?shù)字就顯示出來(lái)。

　　一種嶄新的液晶技術(shù)——摻聚合物液晶顯示(PDLC)裝置正在誕生之中，其工作原理就是電控光散射這一獨(dú)特原理。也就是說(shuō)，顯示裝置透亮程度可以通過(guò)電控制使之呈乳白色、不發(fā)亮態(tài)及透亮態(tài).PDLC顯示裝置由兩塊傳導(dǎo)玻璃中間夾上摻聚合物的液晶構(gòu)成。液晶呈被固態(tài)聚合物包圍的微滴。若借用折射率參量進(jìn)行討論，我們必須考慮三個(gè)主要值：np(聚合物折射率)，n‖(與長(zhǎng)形液晶分子平行的折射率)，以及n⊥(與長(zhǎng)形液晶分子垂直的折射率)。怎一看，由于增加了聚合物，問(wèn)題可能變得復(fù)雜化，但PDLC顯示裝置的工作原理(見(jiàn)圖2)相當(dāng)簡(jiǎn)單。

　　如圖2(a)所示，若無(wú)電場(chǎng)存在，全部液晶微滴隨機(jī)取向。投射到PDLC上的非偏振光通常和與偏振方向平行、垂直或兩者之間任意夾角的微滴相互作用。因此，光通過(guò)扭曲層后，其折射率改變。結(jié)果光被大多數(shù)的微滴散射，故顯示裝置呈乳白色。

　　如圖2(b)所示，若有電場(chǎng)存在，PDLC呈透亮態(tài)，這時(shí)，液晶微滴沿平行于電場(chǎng)的方向整齊排列，非偏振光通過(guò)時(shí)，要受n⊥的作用。若np與n⊥相匹配時(shí)，發(fā)生在微滴邊緣的散射最小，這時(shí)顯示裝置呈透亮態(tài)，若移去電場(chǎng)，微滴返回隨機(jī)取向。顯示裝置也返回到起初的乳白色狀態(tài)。

　　PDLC顯示裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是，不需要偏振片，成本低，而且容易制造，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以與各種靈活透明電極一起使用。可以預(yù)言，在不久的將來(lái)，PDLC顯示裝置將會(huì)商業(yè)化，與用戶見(jiàn)面，將用于大型辦公樓的太陽(yáng)能控制，汽車(chē)上的陽(yáng)頂，私密性強(qiáng)的窗戶，也可能用于大型廣告牌。

　　四、為何要研究液晶？

　　在今天的科技時(shí)代，液晶顯示裝置已成為傳遞信息的壓倒一切的工具，每個(gè)人在其生活中都與這樣或者那樣的液晶裝置打交道，您的手表、袖珍計(jì)算器、音響設(shè)備、您汽車(chē)上的車(chē)速表或鐘表，很可能您家中的電器都帶有液晶顯示。計(jì)算機(jī)工業(yè)如今正在制造折疊式計(jì)算機(jī)，其終端就采用液晶顯示。因?yàn)橐壕э@示終端的功耗小，體積比一般陰極射線管終端小得多。若把光源放在后面，并使用濾色后。還可能制造折疊計(jì)算機(jī)的彩顯終端。當(dāng)然這種設(shè)備也有它的缺點(diǎn)；清晰度仍然有限。目前，大量的研究工作正在圍繞該問(wèn)題展開(kāi)。

　　液晶不僅為各種應(yīng)用提供了無(wú)窮無(wú)盡的可能，而且其奇特的性質(zhì)多年來(lái)一直為廣大科學(xué)家頗感興趣。從現(xiàn)在到遙遠(yuǎn)的未來(lái)，液晶的獨(dú)特性質(zhì)以及諸相，將一直是物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。1991年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者P.G德格尼斯(deGennes)教授之所以獲此大獎(jiǎng)，部分原因就是因?yàn)樗麨橐壕�物理學(xué)作出了巨大的貢獻(xiàn)�，F(xiàn)在，把液晶問(wèn)題引入物理學(xué)的引論課程的時(shí)機(jī)比以往任何時(shí)假都更加成熟。大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)液晶，但很少有人真正了解它的特性。在討論物相、物質(zhì)的電磁特性、光學(xué)特性、偏振概念、物相轉(zhuǎn)變以及折射率時(shí)，液晶也是一個(gè)理想的討論題目。至關(guān)重要的是，液晶可以在基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用技術(shù)之間架起一座橋梁。我們經(jīng)常聽(tīng)到學(xué)生說(shuō)：“我學(xué)這個(gè)到底有什么用？”難道不是這樣嗎？

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