02.液晶分子的基本结构【先幻科技】
2017-12-17 08:41阅读：
单个液晶分子通常呈棒状或碟状，目前发现的所有液晶均为有机化合物。液晶分子的尺寸只有几个纳米。对于棒状液晶分子而言，长径比一般在5以上。下图为一种重要的液晶物质，其化学名称为4’-戊基-4-氰基联苯，简称5CB[1]。整个分子长约2
nm，直径约0.3
nm。5CB分子中间是两个相连的苯环，形成一个刚性核；联苯的一端为柔性的烷烃侧链，另一端为极性的氰基基团。
与5CB的结构相类似，几乎所有的棒状液晶分子都可以模型化为一个刚性核连接至少一个柔性侧链。下表列出了几种重要的液晶分子。对于液晶物质而言，微观分子结构中同时具有刚性核和柔性链是其宏观上表现出“液”、“晶”两态共存的本质原因。如果分子全部是柔性链结构，那么将失去有序性，不再表现出晶体特性；如果分子全部是刚性结构，那么将不存在介于固体和液体之间的液晶状态，即直接在固态和液态之间转变。只有当刚性核和柔性链之间达到一种平衡，分子才会表现出液晶态。显而易见，通过调整液晶分子刚性核和柔性链的种类，可以改变液晶的很多性质，如光学双折射率[2]、分子取向难易程度[3]、液晶相温度区间[4]、介电各向异性[5]、锚钉能[6]、弹性常数[7]、粘度[8]、相结构[9]等。
由于液晶主要应用在显示领域，要求分子的排列方式随着电场的变化而快速改变，因此绝大多数液晶材料都是不可交联的小分子。然而，很多新的应用领域，例如，用于增强显示器视角、增强对比度所需的液晶相位延迟膜，图形化的偏振片，数据存储介质等[10]，需要液晶分子在完成定向后能够交联固化使其取向状态可长期保持，以具备某种光学性质。与小分子液晶不同，可交联液晶的柔性链最外端含有不饱和键，可在一定条件下发生聚合反应，形成液晶交联网络。可交联液晶可进行大尺度范围的定向，并通过交联过程将这种有序性固定下来，形成具有各向异性的聚合物[11]。先幻科技所使用的液晶材料，均是可聚合的液晶预聚物。
液晶分子本身是非球形的，数量庞大的液晶分子聚集在一起时，分子间要么混乱排列，要么形成具有一定规律的排列。根据分子间的相互取向关系，可将液晶分为三种相型：向列相、近晶相和胆甾相[12]。如图2所示，向列相液晶（a）在分子轴向上具有相同指向，但端面不在同一平面上。近晶相液晶（b）有序度最高，最接近晶体。胆甾相液晶（c）则呈现螺旋式的排列。由于向列相与近晶相具有相似的排列方式，且向列相比近晶相更为常见，因此先幻科技只关注向列相液晶和胆甾相液晶的性质。另外，由于先幻科技的目的是研究液晶偏振光学薄膜，因此介绍的重点将是液晶的偏振光学性质。
上海先幻新材料科技有限公司 享有本文版权
更多详情访问先幻科技官网：www.xagic.cn
----------------------------------------------
[1] Toyne K. Liquid Crystal Behavior in Relation to Molecular
Structure[J]. Thermotropic Liquid Crystals, 1987, V22: 28−63
[2] Aharon O., Abdulhalim I. Liquid Crystal Wavelength-Independent
Continuous Polarization Rotator[J]. Optical Engineering, 2010, V49:
034002
[3] Hoshino N. Liquid Crystal Properties of Metal-Salicylaldimine
Complexes: Chemical Modifications Towards Lower Symmetry1[J].
Coordination Chemistry Reviews, 1998, V174(1): 77−108
[4] Craig A. A., Imrie C. T. Effect of Spacer Length on the Thermal
Properties of Side-Chain Liquid Crystal Polymethacrylates. 2.
Synthesis and Characterization of the Poly
[Omega.-(4'-Cyanobiphenyl-4-Yloxy) Alkyl Methacrylate] S[J].
Macromolecules, 1995, V28(10): 3617−3624
[5] Endres B., Ebert M., Wendorff J., et al. Combined Main
Chain/Side Chain Polymers. A New Class of Liquid Crystalline
Polymers with Unusual Structural, Thermodynamic and Dynamic
Properties[J]. Liquid Crystals, 1990, V7(2): 217−239
[6] Schadt M., Buchecker R., Leenhouts F., et al. New Nematic
Liquid Crystals: Influence of Rigid Cored, Alkenyl Side-Chains and
Polarity on Material and Display Properties[J]. Molecular Crystals
and Liquid Crystals, 1986, V139(1−2): 1−25
[7] Blumstein A., Sivaramakrishnan K., Blumstein R., et al.
Synthesis and Properties of Some Polyesters with Mesogenic Groups
and Flexible Spacers in the Main Chain[J]. Polymer, 1982, V23(1):
47−53
[8] Date R., Imrie C., Luckhurst G., et al. Smectogenic Dimeric
Liquid Crystals. The Preparation and Properties of the Α, Ω-Bis
(4-N-Alkylanilinebenzylidine-4′-Oxy) Alkanes[J]. Liquid Crystals,
1992, V12(2): 203−238
[9] Chen B., Baumeister U., Pelzl G., et al. Carbohydrate Rod
Conjugates: Ternary Rod-Coil Molecules Forming Complex Liquid
Crystal Structures[J]. Journal of the American Chemical Society,
2005, V127(47): 16578−16591
[10] Broer D. J., Mol G. N., Challa G. In Situ Photopolymerization
of an Oriented Liquid‐Crystalline Acrylate, 2[J]. Die
Makromolekulare Chemie, 1989, V190(1): 19−30
[11] Hoag B. P., Gin D. L. Cross-Linkable Liquid Crystal Monomers
Containing Hydrocarbon 1, 3-Diene Tail Systems[J]. Macromolecules,
2000, V33(23): 8549−8558
[12] Friedel G. The Mesomorphic States of Matter[J]. Annales de
Physique, 1922, V18: 273−474
