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液晶窗带您了解一下液晶到底是什么?
- 2020-07-15-

     “某些物质在熔融状态或被溶剂溶解之后,尽管失去固态物质的刚性,却获得了液体的易流动性,并保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列,形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态,这种由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体”称为液晶。这是液晶的科学释义,听上去似乎专业难懂,通常我们谈到液晶,首先想到的就是液晶电视,那么液晶到底是什么呢?从字面意义上看,液晶是一种液态晶体。它虽然是液态,但是具有晶体的特性。对于晶体,我们更加熟悉。生活中吃的盐、手上带的钻石戒指、以及五颜六色的宝石等等。这些晶体最大的特点就是具有固定的空间排列结构,类似于整齐划一的军人方队。接下来由液晶窗小编带大家了解一下,液晶到底是什么?

液晶的起源

而液晶更类似于一群小蝌蚪,或者一群沙丁鱼。它们看似混乱,但是它们却可以朝着一个方向游动起来。所以,液晶必定和一群个体调整方向有关。具体来说,液晶中的每个分子之间像一盘散沙,但是可以通过外部有效控制,使得所有液晶分子有一致的方向,从而让液晶光电子器件具有与众不同的光学特性。要想有这种取向的效果,可以想象,一群皮球就不太容易,拉长型的分子就相对容易。所以在分子微观结构,单个液晶分子一般都是拉长型的。

液晶首先由奥地利植物学家莱尼茨尔(Friedrich Reinitzer)发现。在1888年他首先发现一种白色粉末,把它加热到某一温度可以变成乳白色浑浊液体,继续加热则变成透明液体。这种物质放在生物学家手里,除了烧来烧去,看各种变化外,分析不出个子丑寅卯。好在大家都有合作意识,莱尼茨尔后来将这种材料寄给德国物理学家莱曼(Otto Lehmann)。莱曼用物理学家的严谨,在偏光显微镜下仔细观察这种物质,发现这种液体可以显示五彩的图案。这种图案是由双折射引起,而双折射一般是晶体才有的性质,因此他把这种既能流动又有晶体性质的液体命名为“液晶”。液晶是介于固态和液态之间的一种中间相,因此也被称为除了固态、液态和气态之外的第四态物质。综上所述,液晶就是一种兼具液体的流动性和晶体的各向异性的特殊物质。

液晶的光学性质

由于液晶材料具有各向异性,也就是在不同方向上,液晶的介电和光学性质也不同。在光学性质方面,当长棒型的液晶分子在一定范围内取向一致时,它就表现为一个具有双折射率的单轴晶体。具体而言,沿着不同的方向,液晶材料有不一样的折射率。

棒状液晶分子折射率椭球

光线通过不均匀介质时,一部分光会偏离原来传播方向,这种行为称为散射。当光通过不均匀介质的厚度逐渐增大时,沿直线传播的光线会越来越少。

光通过不均匀介质时发生散射现象

此时对着光线传播方向来看,很难看到对面的物体,因为光线都朝着其它方向散开了。在平常生活中也经常可以看到这种现象:当用清澈的温水来泡奶粉时,随着增加奶粉量,我们发现清水会变得越来越浑浊,这还是因为奶粉小颗粒会引起光线的散射作用。

光的散射有很多种,根据光频率的变化可具体分为两大类:弹性散射和非弹性散射。所谓弹性散射是指光的波长不会发生改变,像乒乓球一样被弹回来。而非弹性散射即指散射前后光的波长发生了改变。比如一块橡皮泥被弹回来后,其形状也会发生改变。通常我们见到的散装液晶呈乳白色,当液晶分子取向一致时,光线可轻易通过,相当于一杯清水;当长棒型的液晶分子取向不一致时,它就表现为一个散射体,就相当于加入奶粉后的液体,光线将被散射。

弹性散射与非弹性散射

在介电性质方面,液晶分子在沿其长轴和短轴上也分别呈现不同的介电常数。这个性质很重要,有了这样的各向异性,我们就可以利用外加电场,改变液晶分子的排列方向,实现对光的动态调控。

众所周知,光是一种电磁波,其电场的振动方向即为光的偏振方向。所谓偏振,指波的传播方向和震动方向不一致。这就好比一条移动的蛇,蛇的身子弯曲的方向一定与前进方向垂直。这就是偏振。我们可以用偏振片来选择某一特定方向的线偏振光。线偏振光经过另一个偏振片的透光率,取决于两个偏振片的相对方向。如果两个偏振片方向平行,则线偏振光就容易通过,透过率最大,显示为亮态;如果两个偏振片方向不平行,比如让它们垂直放置,线偏振光就会被完全阻挡,透过率为零,显示为暗态。所以,如果我们想调节光线的强弱,其中一个办法就是调节偏振片的相对方向。这种方法虽然理论可行,但是从物理上同时调节成千上万个偏振片,可是难以实践。科学家开动脑筋,想出了更好的办法。比如,在两个正交的偏振片之间充填一些物质,让光的偏振方向发生改变,即使不调节偏振片的相对方向,也能达到让光的透过率发生显著变化。

什么物质才能胜任这项工作呢?

由于液晶的光学各向异性,使得液晶分子还有一种特殊的能力。那就是旋光作用,当把液晶分子像扭曲起来,就可以改变光的偏振方向。在液晶显示中,最为简单常用的为扭曲向列型液晶模式,简称TN型。“扭曲” 二字非常贴切。大家可以想象北方炸麻花的形象。好好的一个面条,通过“扭曲”的方式变成麻花。还有另外一个简单的实验可以理解“扭曲”的含义。拿一个纸条,双手旋转“扭曲”纸条,可以让纸条两端从平行变为相互垂直。简单地说,向列型液晶就夹在两个偏振片之间(具体工艺要比这个复杂得多),液晶分子的排列就如同上述扭曲的纸条,从垂直方向慢慢变为水平。受到这种排列的液晶的影响,射入的垂直偏振光就会逐渐变为水平偏振的光。从图2可以看出,这个水平偏振光就能够通过出口处水平放置的偏振片,这样就会呈现亮态。

        现在,液晶的另外一种能够就派上用场了。我们通过外加电压,可以使液晶分子重新排列取向,全都平行光的传播方向。这样一来,入射的垂向偏振光,其偏振方向不再发生偏转,当然就无法再通过出口处水平放置的偏振光。光被挡住后,就会呈现暗态。于是,我们可利通过简单施加电压,就能控制光线明暗。这可比调节偏振片的方向容易多了。这种功能为液晶的液晶显示等应用埋下了伏笔。

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