浅述液晶相转变

深圳大学 广东 深圳 518000

0 引言

关于物质的状态，除了广为人知的气态，液态和固态以外，介于固态和液态之间的液晶态也具有很好的研究前景和应用前景。随着时代发展和科技进步，对液晶相行为的研究也取得了一定的进展。相态的宏观描述主要来源于物质的热力学性质，其与温度，熵，压力以及自由能相关。可以利用差示扫描量热仪(DSC)观察其两种类型液晶的热转变以及整个体系有序-无序-有序的热可逆过程，探究其热力学稳定性，并用Avrami方程计算分析液晶的相转变动力学。从微观层面上看，相转变过程中微观分子相互作用和运动，可以通过X射线衍射实验和似晶格模型模拟推测的分子微观排列，将其与宏观性能联系起来，使得对于相转变过程有更加清晰的认识。本文就液晶相转变的基本含义，发展史及目前相关研究进行综述。

1 液晶的基本概念及应用

液晶相是聚合物处于晶体熔融温度与液体清亮温度之间的相态。它既保留了固态晶体的有序排列性，又有着液体的流动性和连续性，且具有双折射的性质。1迄今为止许多学者发现了不同的液晶并根据其有序性的递增进行了相态分类，如棒状液晶(向列相，近晶相，胆甾相等)，柱状和立方型液晶等。[1]根据取向和层的法线的位置关系又能将近晶相分为正交相和倾斜相。其中近晶相，胆甾相的分子排列分层，且层内的分子互相平行。不同于近晶相的一点是，胆甾相中不同层分子之间存在螺旋结构。而向列相的分子排列不分层，分子的指向大多趋于一个方向。随着温度的升高，向列相由各向异性转变为各向同性。

液晶具有将移动性与结构相结合并允许化学物质通过的重要特征，且能将光热电信号的相互转换，因此在生活中有广泛的应用，比如高级轮胎，液晶显示屏，医学检查，红外测定及成像，农用机械，高信息量器件(如计算机终端、通信及摄像监视器)，家电等。其中，液晶最常用于显示屏，主要因为：(1)液晶分子之间的作用力非常小，容易受机械力、电磁场、温度和化学环境等影响，所需要的驱动电压和功耗极低，而且可靠性高。(2)液晶显示能在明亮环境下工作，不受他强光的干扰，且外界光线越强，显示的字符图像越清晰。(3)液晶显示器件的尺寸可大可小，能做到轻、薄和便携，使用十分方便。(4)尤其是液晶基本无辐射，不危害人体健康。

2 相变中k级转变的发展史

相变的级数是由其平衡热力学所涉及的自由能函数求导后是否连续来定义的。k级转变被定义为自由能的k-1级导数是连续的，而自由能的k级导数在等压或者等容条件下不连续。[2]在1959年至1961年，Tobolski和Eisenberg研究出了一种适用于活性聚合物的平均值场处理方法，该方法能够证明部分聚合物相变属于二级转变。同时，他们还列举了一些简单的聚合模型，指出在上限温度下聚合物可产生一阶跃迁。总的来说，在相变中，结晶行为，晶体熔融以及部分液晶转变等属于一级转变，而临界点处固相与液相之间的转变，顺磁-铁磁相变，超导，超流等属于二级转变。

3 液晶的相变

分子形状的不对称以及分子间力的各向异性是液晶分子的重要特征，这也是导致热致行为的原因。液晶相变的热力学性质主要由液晶与各向同性液体和固态晶体结构的相近程度决定。相变过程中涉及的焓值和熵值的变化取决于反应物本身的焓值和熵值。相对来说，定量分析液晶相变是有一定难度的，主要是因为液晶分子中刚性液晶基元和柔性尾链相异。不仅如此，分子间的相互作用不仅影响着结构的有序性，同时也制约着液晶相变中相异部分的热力学配比。[3]

将液晶相引入嵌段共聚物是潜在地制造新型结构和功能材料的一种方法。液晶相变的相关研究不仅对动力学热力学领域的推进非常重要，更是为新时代的生物技术及科技产业提供了坚实的科学基础。[4-5]

4 结语

液晶的相变作为软物质领域中不可或缺的部分，向我们展示了软物质的内在联系及现象规律，且随着研究的进行和技术的发展，液晶越来越多的性能被人们开发，在人们的日常生活中担任着越来越重要的角色。为了能在国际科技产业站稳脚，我们必须努力创新液晶的性能研究与开发，比如纳米级别下液晶的性能改善，并结合其实用性将其应用推广，实现经济收益。