看到“液晶”俩字你想到了什么？

LED电视实际上也是液晶电视的一种

相信大部分人想到的都是液晶电视，液晶手表等等用于显示的液晶产品。

但是，液晶作为一个重要的材料学概念，其内涵远不止如此简单，本文将带你粗略地了解什么是液晶，液晶有什么用。

本文框架：先介绍什么是液晶，再说明液晶的分类和独特性质，最后再举几个液晶的经典应用实例以及比较新的研究成果。

被标题忽悠进来的朋友可以直接翻到后半部分，不过还是建议耐心看完前面的介绍。

什么是液晶？

通常，固体加热后温度到达熔点就会变成透明的液体。然而，有些分子结构特殊的物质不是直接从固态变为液态的，而是经历了一个中间态，这就是液晶，正如下图中所示：

• 液晶是液态吗？

液晶的外观是具有一定流动性的浑浊液体，但不能仅据此说其为液态，因为液态是各向同性的，即在xyz三个方向上物理性质相同。比如一杯茅台无论从什么方向测导热系数都是一样的，折射率也没有区别。

左面两个是各向异性的，排列很有规律

• 液晶是固态吗？

作为流动的物质，液晶却具有各向异性晶体所独有的双折射现象，相比于液体，这是部分固体的独特性质，即液晶作为一种液体，却具有了固态晶体才有的物理特点。

但是又不能说液晶是固态，因为液晶是明显可以流动，相比固态几乎难以观测的流动性，液晶的流动性太强了。

一束振动方向不同的光在通过各向异性固体后分为两束光

• 液晶是什么？

正如最前所述，液晶既不能被定义为液态，也不能被定义为固态，液晶是一种中间态，液态（liquid）的外貌＋晶体（crystal）的内在就是我们的主人公液晶（liquid crystal）。

液晶主要是由不完全周期性排列的长棒状或扁平状分子组成，这些分子可大可小，可以是液晶电视里的那种小分子，也可以是凯夫拉纤维里的高分子液晶。无论多大，它们都是液晶。液晶强调的更多是结构上的概念。

液晶的棒状结构，既有序又无序

判读是不是液晶的关键是能不能在溶液或熔体中自组装成部分取向的结构，有没有双折射性能，流动性好不好。宏观上的表征可以用偏光显微镜，X射线衍射等。

不同液晶的光学性质截然不同，可以用光学性质来区分到底是哪一种液晶。这是之后应用液晶的重要基础。

偏光显微镜下观察的胆甾型液晶

科学家总习惯给东西分类，这体现了一种归纳的思想，让繁琐的事物变得简单，发现事物的共性和客观规律。往冰箱里放东西也是这样，串了味儿就不好了。

比如爱因斯坦“整齐”的桌子

自从19世纪初发现并定义液晶以来，已经有数万种液晶化合物被确定，有必要理一下这几万种液晶的归属，方便之后讨论性质。

液晶的分类

目前对液晶的分类主要有两个依据：怎么来的和长啥样。

• 怎么来的

从液晶的获取来源不同主要可以分有两种：温致液晶和溶致液晶。

之前有说固体升温到液态过程中会有作为中间态的液晶出现，实际上有些液晶的出现是从相对高温的液态降温成固态时出现液晶这一中介相。这种靠升降温来制备液晶的方法叫温致液晶。

比如世界上第一个被发现的液晶物质胆甾醇苯甲酸酯就属于温致液晶。

除了升降温，液晶还可以靠往溶液中加入一定的溶剂，使固体物质溶解，在一定浓度范围内，为了使体系自由能最低，溶解后分子自组装成具有局部有序却能流动的液体。

这就是溶致液晶。溶致液晶和生物体关系巨大，后文会介绍。

大分子在合适浓度下能自组装成各异的有序结构

实际上除了温致液晶和溶致液晶，还有通过加外力的方式破坏原先溶液中分子结构，使分子链从较为卷曲变得舒展，之后舒展的高分子链会通过链间成键而非链内成键的方式形成比较稳定的取向结构。即流致液晶和压致液晶。

这个原理和晃一晃番茄酱更容易挤出来的原理类似。

剪切力作用下氢键断开，分子链开动更容易，番茄酱更容易挤出来

• 长啥样

从获取后液晶内分子排布的种类来分主要有三种：近晶型，向列型，胆甾型。直接看图：

近晶型是最接近晶体的有序结构的，看名字大概就能猜出。近晶相由多层构成，一层近晶型液晶的分子排列方式很像烟花，这一层层烟花沿长轴方向堆叠起来就是近晶型液晶的微观结构了。

一层烟花中液晶分子沿纵向排列，跟窜天猴一样

向列型液晶的就像把近晶型液晶中规整的层间结构继续打乱，液晶分子只是互相平行，沿分子长轴方向没有明显的“层”的界限。

相比近晶型，向列型排列更为无序，在外界环境的作用下分子更容易产生空间位置上的变化，这和液晶显示屏的关系巨大，后文会介绍。

基本沿一个方向取向，但是不够规整

胆甾型液晶也是分层的，每一层的分子都有一定取向，是有序的，而层与层之间的取向方向是不相同的，是无序的，这些层堆叠起来就成了胆甾型液晶。

层间隔p/2位相相同

以上介绍了液晶的定义和分类，液晶的独特性质保证了它们的实际应用，接下来将是本文的重头戏：液晶的性质和应用。

液晶无处不在

• 生物体

某种程度上可以说，很多生物组织的有序结构是由液晶构成的。

比如很多蛋白质，核酸，脂质等在合适的浓度范围内，可以在溶液中自组装成液晶，这就是前面提到的溶致液晶。

DNA的分子内氢键（好像最近有项研究指明分子内疏水作用对DNA结构才是主要作用）

早前的研究认为细胞膜的磷脂双分子层是固体，但是这种模型在解释有些问题时会乏力，比如红细胞为何除了双凹圆碟型以外还能在毛细血管里变成靴子型，在生物力学上解释不通[1]。

所以有学者开始将磷脂双分子层视为液晶进行处理，根据液晶曲率弹性理论建立起来的液晶生物膜力学模型应用到实际问题的分析中后，可以较好的解释红细胞膜以及其他生物膜的各种问题。

二十多年前欧阳院士算出来的甜甜圈细胞

相关研究有很多，网红院士欧阳钟灿就一直致力于生物液晶的理论研究，他考虑到生物膜的液晶性后运用数学和物理的手段算出了一个从没被发现的生物膜的形状[2]。

有意思的是，几个月后，法国的相关研究人员就在实验中发现了这种全新形状的生物膜[3]。

a图是侧面，b图是顶视图。正好对应欧阳院士解出的形状

液晶的概念在应用于生物体后不仅可以在理论上解释一些现象，还可以在实践中给生物医学提供解决问题的方法。

因为癌症部位代谢旺盛，散热更多，所以温度比正常其他组织温度高。

记得我们之前说过的温致液晶吗？实际上很多液晶都对温度敏感。有科学家将精确配置的胆甾型液晶涂在待查部位，温度升高会导致胆甾醇面间距变化，从而使发生布拉格衍射的光波长变化，从而大概判断哪里需要切除[4]。

实际上这样利用液晶和光子晶体在外界条件下发不同色光的原理一样，都是周期性参数的改变

• 凯夫拉纤维

凯夫拉（Kevlar）纤维又称聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。由于其高强度，低密度的特点，已成为防弹衣等军事用品的首选。

射在凯夫拉防弹衣上的九毫米子弹

由于大量的苯环和酰胺存在，分子间容易发生π-π堆叠（苯环）和氢键（酰胺），即凯夫拉纤维在纺丝前的酸溶液中很容易自组装成取向结构[5]，这就是之前所述的溶致液晶。

虚线是分子间氢键，苯环分子链刚性大，易伸直

在纺丝后，凯夫拉纤维能保证极高的取向程度，配合着分子内存在大量共轭结构，电子云均化程度高，强度自然提高。相比较地，橡胶软的一大原因就是分子链取向程度不高。

• 液晶电视

电视主要是为了给人看的，那么电视能不能发光，如何选择性地发光就很重要。

首先，先说一下偏振片和偏振光。

光作为一种电磁波，它是以正弦振动的方式传播，单个正弦函数是二维的，自然光就是这么一堆不同位相的平面结合起来的。

就像把一本书翻开一样，一页页书就是不同平面的电磁波，让一本翻开的书沿轴向飞就是自然光在传播。

偏振光就像一页书，或者几页大小不太一样但是方向一样的纸张，偏振片就是百叶窗。

只有当这页书的方向正好和百叶窗的缝隙一个方向时，书（偏振光）才能通过百叶窗（偏振片）。其他方向的书页都会被百叶窗拦截掉。

在液晶显示这一具体场景下，光从背光源发出，经过偏振片，自然光被过滤成了偏振光。

当偏振光经过被配向膜特意取向的液晶后，光的偏振方向被生生扭转了90°，之后通过另一个偏振片（这个偏振片方向和第一个互相垂直），光正常射出。

定向层就是配向膜，负责预先给液晶分子取向

因为液晶分子有在外电场作用下产生感生偶极的趋势，即在外电场作用下，分子内正负电荷中心不重合，分子取向产生转动，于是液晶分子排列模式发生变化。

图中长长短短的液晶是因为观察方向导致的（配向膜的原因），实际上基本一样长

如果在两板间加电压，之前被配向膜取向的液晶马上恢复向列型的排列，这时，经过下偏振片的偏振光不经扭转直接出射到另一偏振片。但是这个振动模式的光无法穿过这个偏振片，那么人就看不到这束光了。

和上面相同的图，方便手机阅读

以上介绍的主要是黑白液晶电视的显像机理，重在有没有光通过，而不是选择通过的光的波长（颜色），实际上对于彩色液晶电视，原理大同小异，都是利用液晶分子对外界电场的反应实现对光的各种参数的调控。

三原色发光机制

混合色的产生

还有一种铁电型液晶显示，反应速度比向列型快很多，主要原因是这种液晶自身就有电偶极矩，可以自发极化，在外电场作用下可以直接转动，无需先在分子内先产生感生电场后再被外电场扭转位相。

有无外电场对极化分子的影响

另外，我们熟知的LED电视原理也是类似，只不过LED电视的光源是LED而已。

液晶的材料学研究前沿

现在对液晶的材料学应用研究主要集中于两点：直接拿液晶解决问题或者仿造液晶的结构间接获得液晶的优势。

• 直接用：生物学研究的“放大镜”

液晶作为一种中间态对外界环境的变化十分敏感，结构上的改变会带来光学性质的改变，通过分析液晶的光学性质就可以间接地表征生物对液晶的影响，从而实现生化传感。

可以看出显微图像中有灰色的光

比如在这项研究中[6]，科学家们先制备了一些储存液晶的容器，注入液晶后再把偏振光自下而上发射，部分偏振光通过较为无序的液晶后偏振方向会改变，从而在到达下一个偏振片时有光线射出。

LPS是两亲性物质，脂多糖，细菌细胞壁提取的

之后，他们在液晶表面加入了一些两亲性聚合物，这些链段会促进液晶呈向列型排列，还记得之前说的液晶电视的原理吗？这时偏振光没法被扭转，抵达下一个偏振片就检测不到光线的射出。

在加入细菌后，细菌细胞壁上的脂多糖就会和加入的两亲性物质反应，从而破坏这些聚合物对液晶的规整排列作用，此时，偏振光又会被偏折，从而通过下一个偏振片，通过检测光的强度就能表征细菌的浓度。

• 间接用：液晶增韧树脂

环氧树脂是一种得到广泛应用的热固性树脂，但是为了使树脂获得更稳定的性能，往往对其进行交联，就像硫化橡胶一样。

交联后的环氧树脂脆性大，冲击韧性差，所以提高它的韧性就是很重要的任务。

不少地面就是用环氧树脂涂的

有学者想到将环氧树脂按照热致液晶的方式制备，获得拥有有序区和无序区并存，而非三维均匀无序的树脂[7]。

由于有序区和无序区并存，当材料内部缺陷在外力的作用下运动到有序区时，需要克服较大的能量才能越过，即延缓了裂纹拓展，防止树脂脆性断裂。

柠檬色的椭圆是局部有序结构

类似地，还有利用壳聚糖内氢键作用（形成液晶）制备药物缓释载体的研究[8]。过几期单独介绍一下壳聚糖这个来源于小龙虾的神奇材料，延续更新“美食→生物材料”系列。

美食→生物材料｜大豆和再生医学

美食→生物材料｜菠菜和光动力抗癌

课题组师姐之前做的壳聚糖载药海绵，有一定的缓释性能

结语

从结构上来看，液晶既没有固态那么有序，又没有液态那么无序，液晶分子在溶液或熔体种自组装成即有序又无序的结构，无序与有序共存达到了液晶的和谐。

这种美好充盈着你我的身体和生活。作为有序和无序的结合体的我们继承了这种美好又“自组装”成了这个世界。

从生物体到凯夫拉纤维再到液晶电视，我相信液晶带给来的思考还会被一代代人传承并发扬下去。

参考文献

[1] 生物力学, 冯元桢, 科学出版社, 1983.

[2] Phys. Rev. A, 1990, 41, 4517.

[3] Phys. Rev. A, 1991, 43, 4525.

[4] 生命的化学, 2017, 37, 381-385.

[5] Supramolecular Chemistry, Self‐Organization and Self‐Assembly in Liquid‐Crystalline Materials, John Wiley & Sons, 2012.

[6] Biosen.＆Bioelectron., 2016, 80, 161–170.

[7] Adv. Funct. Mater., 2005, 15, 1877-1882.

[8] Eur. J. Pharm. Sci., 2016, 91, 144-153.

我是生物材料小小虫，欢迎关注我，持续带来严肃又接地气的科普