晶胞
[拼音]：yejing
[英文]：liquid crystals
介於各向同性液體與晶體之間的一種新的物質狀態。1888年奧地利植物學家F.賴尼策爾在膽甾醇苯酸酯中首先觀察到，翌年，德國晶體學家O.勒曼命名為液晶。目前所知具有液晶相的材料都是長形分子或盤形分子有機化合物。液晶的特點是同時具有流動性和光學各向異性。
單元(或多元)物質在一定溫度範圍內為液晶態的稱為熱致液晶。其他某些化合物，當溶化於適當溶劑裡，隨著濃度的改變而出現不同的液晶態，謂之溶致液晶。不過，溶致液晶與溫度也有一定程度的關係。
熱致液晶
它的長形分子一般有一個長的剛性中心部分，成板條形，其一端或兩端具有柔軟的尾鏈，整個分子約長數十埃，寬數埃。
結構
長形分子液晶依其結構不同，通常分為三大類。
向列相(N)。亦稱絲狀相。它由非手徵性分子組成。分子大致平行排列，質心位置無長程式（圖1a），可以在三個方向平移。單個分子首尾可能不同，但總體排列上不出現首尾之別。光學上一般是單軸正性。
膽甾相(N*)。亦稱螺旋狀相。它可以看作是由向列相平面重疊而成，一個平面內的分子互相平行，逐次平面的分子方向呈螺旋式改變（圖1b）。螺距 h約3000埃，與可見光波長同數量級，光學上一般是單軸負性。膽甾相可以是膽甾醇衍生物或手徵性分子，也可以在向列相中加進少量手徵性分子而成。單元化合物若具有膽甾相，就不會出現向列相，反之亦然。
近晶相。亦稱層狀相或脂狀相。它的分子分層排列，層內分子互相平行，其方向可以是垂直層面，或與層面傾斜。層內分子質心可以無序、能自由平移、似液體；或有序呈二維點陣。分子層之間的相關程度在不同相中有強有弱。手徵性分子化合物則更可以以扭曲的螺旋片層狀出現，非扭曲型近晶相依其發現先後，以A、B、C、…命名。目前已發現的非扭曲型至少有A～I八種（體心立方D相不算在內），扭曲型的至少有C*、F*、H*三種。
A相的分子與層面垂直，層內分子質心無序，像二維流體。層厚d約等於或略小於分子長度l(圖2a)。含氰基(C呏N)化合物的A相可能出現雙分子層結構，d約為1.2l～2l。
C相與A相在結構上唯一不同之處是分子與層面傾斜，傾角各層都一樣並互相平行（圖2b），傾角大小依溫度而定。C相在光學上是雙軸的。
C*由手徵性分子組成，與C相類似，不同的是分子在層面上的投影像膽甾相那樣作螺旋式變化，光學上是單軸正性。對稱性允許C*相出現與分子垂直而與層面平行的自發極化向量，這就是鐵電性液晶（1975年R.B.邁耶等首次合成）。
在B相，片層內的分子質心排列成面心六角形，分子垂直於層面（圖2c）。片層之間的關聯隨材料不同各有強弱。B相在光學上是單軸正性。
通過 x射線衍射、中子散射（見中子衍射）、偏光顯微鏡的觀察和化合物溶和性的研究等，人們對其他各種近晶相的結構已漸有了解。有些近晶相事實上可能是三維晶體而非液晶。
長形分子除上述三大類結構外，還可以有光學上各向同性的 D相，具有由若干分子為一組的單元所構成的體心立方體結構。此外，手徵性分子從各向同性液相冷卻成為膽甾相之前，有時在小於1℃範圍內會出現一個或兩個藍相（記為B懰和B戝）。
1977年，印度S.錢德拉塞卡等合成了盤形分子的液晶。這些分子均具有一個扁平的圓形或橢圓形剛性中心部分，周圍有長而柔軟的脂肪族鏈。盤形分子液晶具有向列相、膽甾相和柱狀相三類結構。
盤形分子的向列相和膽甾相與上述長形分子的相似，只需把圖1中的長棒軸用盤形分子的法向軸代替即可。
柱狀相。是盤形分子所特有的結構。柱狀相中堆積成柱，在同一柱中分子間隔可以是規則有序的（圖3a），也可以是不規則無序的；不同柱內的分子質心位置無相關性。各分子柱可以排列成六角形（圖3a）或長方形（圖3b）的二維點陣。
長形和盤形分子構成的液晶的各向異性與分子本身的不對稱形狀有關。這些液晶態的基本性質，絕大部分可以通過無體積的一維或二維分子模型來描述。1978年，有人考慮了由質點（零維）分子組成的二維點陣，提出二維晶體在熔化為液體之前，可能出現一個六角相的液晶態。其後，有人認為在三維點陣中也可能存在立方相的液晶態。與長形和盤形分子液晶不同，這些質點分子液晶相中的方向性來自連線相鄰質點的鍵，而非來自分子本身。
相變序列
改變溫度時，長形分子各液晶相之間的轉變序列可以有兩種（冷卻時由右至左）：
X—H(H*)—G—F(F*)—I—B—C(C*)—A—N(N*—B懰—B戝)—I，和
X—E—B—A—N—I。H(H*)等表示H或H*，X和I分別代表晶體和各向同性液體。當然，特寫的液晶化合物並不一定具有上述所有的相。上面的序列只是表明這些相如有出現則依這種順序。例如：對於分子式為
的對苯二亞甲基－二-4-n-丁苯胺(TBBA)，有
X┡是介於X和H相之間，比H相更為有序。TBBA的例子說明，加溫與降溫的過程並不一定相同。
一般來說，越是有序的液晶相出現的溫度越低。但是某些極化度較高的以氰基為終端的化合物，在冷卻時可能出現I→N→A→N→X的相變序列。在 A和X之間重新出現的低溫N相稱為重入N相（P.E.克萊迪斯，1975年），是一個重入現象。在T8液晶中甚至有I→N→A→N→A→X這種雙重入現象的發生。重入現象並不違反熱力學定律，在超導體中也有發現。T8液晶是凝聚態中首次觀察到有兩個重入相的物質。盤形分子液晶也存在重入現象。
物理性質
液晶受擾動時，分子取向有恢復平行排列的能力，稱為曲率彈性。彈性常數很小，約10-6達因。向列相和膽甾相的分子取向改變有三種形式：展曲、扭曲和彎曲。近晶相發生形變時，層厚保持不變，只有展曲和層面位移引起的混合彈性。
液晶是抗磁體，磁化率各向異性部分
107，
和
分別為平行和垂直於分子長軸的磁化率。液晶又是介電材料，介電各向異性
，依材料而定，並與頻率有關。液晶分子受外電場或磁場影響容易改變取向。譬如，把膽甾相放在與螺距相垂直的外磁場中，磁場達到數千高斯即可使螺距成為無窮大，膽甾相變為向列相。
液晶發生展曲或彎曲時，會產生極化甚至產生空間電荷，這是由於形變使分子的電偶極矩或電四極矩不再相抵消。這種現象稱為撓曲電效應。
液晶是非線性光學材料，具有雙折射性質。向列相液晶的平行於分子長軸的折射率n∥大於垂直於分子長軸的折射率n喲。沿螺旋軸方向入射於膽甾相的白光分解為兩束圓偏振光，其中旋光性（旋光性由面對光源時電場向量的轉動方向規定）與螺旋結構相同的一束髮生全反射，另一束透射。反射光與波長有關。波長為
的光具有 最大反射率。只有 λ0附近
範圍內的光發生反射。所以在白光照射下膽甾相呈現彩色，顏色與螺距 h有關。膽甾相對透射光的旋光本領可大至20000度/毫米。
液晶的缺陷有位錯和向（斜）錯兩種，後者是由於分子取向發生不連續變化引起的，向列相只有點向錯和線向錯，膽甾相可以有位錯和向錯，用偏光顯微鏡觀察到的液晶缺陷圖形稱為織構。液晶缺陷的研究導致了對有序結構奇異性的拓撲分類。
一般來說，液晶的流動可以引起分子取向的改變，反之亦然。向列相的粘滯係數約為0.1泊（0.01Pa·s，比水約大10倍）。膽甾相的粘滯性比向列相可高出106倍，這是由於流動時螺旋結構不變而分子平移時發生轉動的滲透機理引起的。在近晶A相的分子層內，分子像簡單液體中的分子一樣流動，而在垂直於分子層方向，分子可以在相鄰層間互相滲透。近晶相的粘滯性比向列相大。
在溫度梯度作用下，向列相液晶可以發生與簡單液體相似的瑞利－本納德對流不穩定性；不同的是，在液晶中溫度梯度閾值比較低，並且當上層處在高溫情況時也可以發生。切變流動或外加電場也可以導致液晶失穩，後者稱為電流體動力不穩定性，與液晶電導率的各向異性有關。
應用
液晶對有機分子是很好的溶劑，通過電場、磁場或機械力令液晶分子定向排列，從而可以得到取向與之一致的溶質分子樣品，再通過核磁共振或紅外光譜的測量，可以研究各向異性有機分子的性質。作為氣液色譜固定液，液晶對有機分子異構體的分離具高選擇性。
改變膽甾相的螺距就能改變其顏色，而螺距對溫度、壓力、雜質等都很敏感。所以膽甾相可以用來診斷皮下腫瘤，在無損探傷、微波、紅外、紫外、X 射線顯示，壓力量度，氣體動力學和分析化學等方面都可以加以利用。
目前應用最廣泛的是向列相和膽甾相液晶的電光效應。譬如：
（1）扭曲效應。在正交偏振片之間安放用經過沿面排列處理的基片作成的液晶盒，上下基片分子排列方向互相垂直，盒中盛正性(εS＞0)向列相液晶。液晶盒內的偏振方向隨分子排列方向而扭轉。未加電壓時，光可以通過(圖4a)。當外加電壓超過閾值時，分子沿電場方向排列而光不再能通過（圖4b）。
利用局域電極，就能使液晶盒中不同部位根據要求呈現不同的明暗。電子手錶、微型計算器等數學顯示器件主要就是應用這個原理。每平方釐米顯示面積只需要消耗1毫瓦的電能。
（2）儲存模式(記憶效應)。在液晶盒中對負性(εS＜0)膽甾相液晶作沿面排列，其螺旋軸與基片相垂直（圖5a）， 呈透明狀態。在直流(或低頻)電壓作用下，螺旋軸改變方向 (圖5b)，對光產生強烈散射。在取消電壓後，這種改變了織構而對光強烈散射的狀態可維持相當長時期。如果再施加高頻電壓，可以使它恢復到沿面排列的透明狀態。
（3）賓主效應。在向列相液晶（主）中摻少量多色性染料（賓），染料分子會隨同液晶分子定向排列。在沿面排列液晶盒中，電壓為零時，染料分子與液晶分子均平行基片排列，對可見光有一吸收峰(圖6a)。當電壓達到閾值時，分子(εS＞0)平行於電場而排列，這時吸收峰值大為降低（圖6b），因此可觀察到彩色變化。
其他效應如電控雙折射、膽甾相－向列相轉變、動態散射等，均可應用於液晶顯示。利用電壓或鐳射把近晶A相加熱，也可達到調光的目的。上述各種效應的響應速度都在毫秒數量級。用鐵電性近晶相液晶可以製成雙穩態的微秒電光開關。目前已經制成小型液晶顯示平板電視。
在物理方面的應用，由於液晶相的多種多樣，同時能夠獲得液晶薄膜，這就提供了研究和檢驗統計力學（二維和三維）相變理論的機會。液晶的缺陷對缺陷基礎理論也提供了研究的手段。向列相液晶也是研究孤子（非線性波）的一個很好的體系。
溶致液晶
一系列的雙親性分子，例如月桂酸（肥皂）分子，都是由親水的頭部和疏水的尾部組成。它們的水溶液，在一定溫度以上，隨著水的成分逐漸增加，可以產生片狀和六角形柱狀的液晶態（圖7）。片狀相與熱致液晶的近晶 A相有相同的對稱性。六角形柱狀相由半徑約300┱的柱狀分子組纓（膠束）組成。分子組纓中分子的頭部向外與水相鄰，尾部向內與水隔絕。假如把水換成烴類溶劑，分子組纓發生反轉，頭部向內，尾部向外與烴相鄰。
類脂化合物有一個親水的頭部和兩條孿生的疏水尾鏈。在水溶液中可以成為片狀液晶，是生物膜的主要構成部分。目前在實驗室中，已經能夠成功地在生物膜中注入離子，研究離子的滲透性，用以揭示人體中藥物作用和麻醉效應的過程。另一方面，片狀的磷脂水溶液是一個理想的二維體系，可用來檢驗二維相變理論。
其實，液晶與生物的關係極為密切。液晶既有流動性又有長程相關性，與生物組織的特點正好吻合。在人體的腦、肌肉、腎上腺皮質、卵巢、神經髓梢、眼睛光感受器的膜層等處都發現有液晶結構。細胞癌變可能與細胞膜的液晶態相變有關。因此生命現象與生物液晶直接相關。
液晶態的聚合物（高分子液晶）早年都是在溶致液晶中探索，目前許多工業研究室已在大力尋求熱致聚合物液晶。把高分子聚對苯甲醯胺溶於濃硫酸，可得向列相高強度的纖維，其紡絲的強度比合金鋼還高，並具有高模量、高化學穩定性和耐高溫等特點。
溶致液晶在石油化工和醫學方面也都有重要應用。
參考書目
林磊:液晶相與分子“維數”，《物理》，第11卷，第171頁，1982。
H. Kelker and R. Hatz， Handbook of Liquid Crystals.Verlag Chemie， Weinheim，1980.
G.W.Gray and J.W.G.Goodby，Smectic Liquid Crys-tals， Leonard Hill， London， 1984.