文|史说百家

编辑|史说百家

液晶是一种迷人的材料，具有独特的性质，兼具液体和固体的特性，对液晶的研究始于19世纪晚期，但直到20世纪中期，在理解其行为和潜在应用方面才取得重大进展。

液晶已经从一个有趣的科学好奇心发展成为现代技术和日常生活不可或缺的一部分，它们独特的性能、对外部刺激的响应性和多功能性使它们成为各行业广泛应用的理想选择，那么它是如何制作的呢？

液晶在现代技术中起着至关重要的作用，例如显示器、光学设备和传感器，液晶是物质在液体和固体之间的一种中间状态，在液晶中，分子具有某种程度的有序或排列，类似于晶体中的排列，但它们也具有液体的流动性特征。

这种独特的性能组合使得液晶对外部刺激，如电场、温度变化和压力具有高度的响应性，液晶的特性是其分子结构的结果，液晶分子通常具有棒状或盘状形状，并且它们的长轴在某种程度上倾向于彼此对齐，这种排列可以被控制或操纵，导致材料光学性质的变化。

向列型液晶是最常见的类型，其分子相互平行排列，但没有位置顺序，这导致类似流体的行为，向列型液晶由于其对电场的响应性和在不同光学状态之间切换的能力而广泛用于液晶显示器(LCD)中。

近晶液晶具有形成层的分子，每层具有独特的排列，这些层可以在彼此之上滑动，使得近晶液晶在需要机械柔性和容易重新定向的应用中有用。

胆甾型液晶，也称为手性向列相，具有螺旋分子排列，这种螺旋结构反射特定波长的光，无需染料或颜料就能产生明亮的颜色，胆甾醇型液晶用于电子显示器和安全装置，例如具有变色元件的钞票。

液晶的生产包括几个步骤，从合成液晶材料到将它们组装成有用的设备，液晶材料通常通过涉及特定有机化合物组合的化学过程来合成，这些化合物是根据它们的分子结构和相容性精心选择的，以形成所需类型的液晶。

液晶的合成需要对反应条件和纯度进行精确控制，以确保所需的性能，为了获得期望的特性和功能，液晶需要正确排列，例如，在液晶显示器(LCD)中，液晶的排列对于控制光透射和偏振是至关重要的。

可以通过表面处理或者通过使用引导液晶分子取向的取向层来实现取向，在许多应用中，液晶被夹在透明材料层之间，如玻璃或塑料，以保护和稳定它们。

这些层还有助于保持液晶的排列，并防止与环境发生不必要的相互作用，电场和电压控制:液晶最重要的特征之一是它们对电场的响应性。

通过施加电压，可以改变液晶分子的取向，从而改变它们的光学特性，这个原理是液晶显示器操作的基础，其中液晶排列的操作决定了显示的图像。

液晶最广为人知的应用是在显示技术中，液晶显示器(LCD)已经成为各种电子设备的标准，包括电视、电脑显示器、智能手机和平板电脑，在液晶显示器中，液晶被夹在两块玻璃板之间，每块玻璃板都有一层透明的电极涂层。

通过电极施加电场来控制液晶的排列，这改变了液晶的光传输特性， 当没有施加电压时，液晶分子以其自然取向排列，允许光通过，这种状态称为“关”状态，像素看起来是透明的。

当施加电压时，液晶分子的取向改变，阻挡光的通过，导致“开”状态，此时像素看起来不透明，通过控制每个像素上的电压，液晶显示器可以显示高分辨率和色彩精度的图像和视频。

LCD技术革新了显示技术，使得为各种设备制造轻薄节能的屏幕成为可能，液晶还利用其对外部刺激的响应特性，在各种光学器件和传感器中得到应用。

液晶透镜是一种自适应光学器件，可以根据电场改变焦距或焦点，这些镜头在照相机、望远镜和显微镜中有应用，允许快速和精确的调整，而不需要机械调整。

液晶可以用作光学系统中控制光通过的光学快门，这些快门可以快速打开和关闭，从而在激光系统、投影仪和光学开关中实现光强度的快速调制。

基于液晶的温度传感器用于各种应用，包括医疗设备、环境监测和工业过程，液晶随着温度改变颜色，允许视觉或数字温度测量，液晶技术也用于智能窗户和隐私玻璃，通过施加电压，可以调整玻璃的透明度，提供隐私并控制进入建筑物的阳光量。

液晶的特性导致了其在生物医学和医疗保健领域的有趣应用，液晶纳米粒子可以被设计成封装和输送药物到体内的特定目标，这些纳米颗粒可以以可控的速率释放药物，提供了一种有效的靶向给药系统。

液晶设备用于生物光子学研究和医学成像，它们可以集成到光学系统中，以研究生物组织和细胞的行为，为细胞结构和功能提供有价值的见解。

基于液晶的传感器用于检测各种生物参数的变化，如pH值、温度和离子浓度，这些传感器可用于医疗诊断和环境监测，虽然液晶为众多创新应用铺平了道路，但仍有一些挑战和领域需要进一步探索。

在某些应用中，如快速切换显示器和传感器，液晶的响应时间可能是一个限制因素，研究人员一直致力于改善响应时间，以满足新兴技术的需求。

一些液晶材料可能含有对环境有害的物质，随着技术的进步，人们越来越重视开发环保和可持续的液晶材料，研究人员正在探索新的技术来实现液晶打印，这可能对柔性显示器和电子纺织品产生重大影响。

对新液晶材料及其独特性能的持续研究将有可能导致更复杂和专业的液晶器件的发展，液晶生产的原理导致了技术和工业的显著进步，液晶的独特性质、对电场的响应性和光学行为使其在显示技术、光学器件、传感器和生物医学应用中不可或缺。

随着研究和开发的继续，液晶可能会在各种新兴技术中发挥越来越重要的作用，为一个更加互联和创新的世界做出贡献，对液晶材料及其各种应用的不断探索预示着未来更令人激动的进步和可能性。

液晶最突出和最广泛的应用场景之一是在液晶显示器(LCD)中，液晶显示器彻底改变了电视、电脑显示器、智能手机、平板电脑和数字手表等电子设备的信息呈现方式，液晶显示器背后的原理在于操纵液晶排列来控制光的透射和偏振。

在LCD中，液晶夹在两层玻璃或塑料中间，每层都涂有透明电极，通过电极施加电场来控制液晶的排列，当没有施加电压时，液晶分子以其自然取向排列，允许光通过。

这种状态是“关”状态，并且像素看起来是透明的，然而，当施加电压时，液晶分子的取向改变，阻挡光的通过，导致“开”状态，其中像素看起来不透明。

通过控制每个像素上的电压，液晶显示器可以显示高分辨率和色彩精度的图像和视频，LCD技术由于其薄的外形、高能效和产生生动图像的能力，在各种电子设备中已经变得无处不在。

液晶显示器极大地改变了电视行业，导致了液晶电视(LCD电视)的广泛采用，液晶电视提供高清视觉效果，已经取代传统的阴极射线管(CRT)电视成为家庭娱乐的标准。

液晶电视有各种尺寸和分辨率，为消费者提供了广泛的选择，以适应他们的喜好和预算，LED背光液晶电视的引入进一步提高了能效，并允许更纤薄的设计。

液晶显示器已经成为计算机显示器的标准，为用户提供清晰锐利的视觉效果来完成各种任务，包括工作、游戏和多媒体消费，液晶显示器有不同的尺寸和分辨率，以满足不同用户的需求和偏好。

在电脑屏幕上使用液晶也有助于减轻眼睛疲劳，使它们在长时间使用时更加舒适，具有快速响应时间的高刷新率显示器的出现进一步增强了游戏和多媒体体验。

液晶已经成为智能手机和平板电脑发展的一个组成部分，能够创造出具有高质量显示屏的时尚便携式设备，液晶的响应特性允许触摸屏功能，便于用户与这些设备进行交互。

智能手机和平板电脑中基于LCD的显示器提供鲜艳的色彩、高分辨率和高能效，使其成为现代移动技术的重要组成部分，电子阅读器彻底改变了我们阅读书籍、杂志和其他数字内容的方式。

在电子阅读器显示器中使用液晶可以实现类似纸张的阅读体验，即使在明亮的照明条件下，也可以减少眼睛疲劳并增强可读性，液晶投影仪，也称为LCD投影仪，广泛用于教育、商业和家庭影院。

这些投影仪采用液晶来调制光线，并将图像投射到更大的屏幕上，液晶投影仪提供高质量的视觉效果，使其适用于演示、电影之夜和交互式学习环境。

液晶已经在智能窗户和隐私玻璃中找到了创新的应用，通过施加电压，这些窗口可以在透明和不透明状态之间切换，在透明模式下，窗户允许自然光进入建筑，有助于提高能源效率，并提供舒适的室内环境，在不透明模式下，窗户提供隐私并阻挡过多的阳光。

液晶智能窗在商业建筑、住宅物业和汽车天窗中有应用，它们提供增强的舒适性和节能能力，液晶透镜是一种自适应光学器件，可以根据电场改变其焦距或焦点。

这些镜头可以集成到相机和智能手机中，允许快速和精确的调整，而不需要机械调整，液晶镜头提供更快的自动对焦和改进的光学变焦能力，增强整体摄影体验。

液晶可以用作光学快门，控制光学系统中的光的通过，这些快门可以快速打开和关闭，从而在激光系统、投影仪和光学开关中实现光强度的快速调制。

液晶被用在各种传感器中，这些传感器检测物理参数的变化，例如温度、压力和湿度，液晶传感器用于医疗设备、环境监控和工业应用，提供精确的测量。

液晶温度计是医疗和家庭环境中温度测量的普遍选择，这些温度计包含液晶，可根据温度改变颜色，提供测量温度的视觉指示，在智能织物和可穿戴技术的开发中，正在探索液晶。

这些织物可以响应外部刺激(例如温度或电场的变化)而改变其光学特性，智能织物在可穿戴健康监测器、时装和运动服方面有潜在的应用。

液晶纳米粒子可以被设计成将药物封装并输送到体内的特定目标，这些纳米颗粒可以以可控的速率释放药物，提供了一种有效的靶向给药系统，液晶给药系统有可能通过提高药物效率和减少副作用来彻底改变医学领域。

液晶用于滤光器中，可以选择性地透射某些波长的光，同时阻挡其他波长的光，这些滤光器在光通信、摄影和光谱学中有应用，液晶光调制器在电信和光网络系统中用于操纵光信号，这些调制器能够在光纤通信网络中高效传输数据。

液晶已经被广泛应用，推动了技术和产业的创新和进步，从彻底改变了我们消费信息方式的液晶显示器，到有望改善医疗保健的智能材料和药物输送系统，液晶继续塑造着技术和日常生活的未来。

随着液晶材料和应用的研发不断深入，我们可以期待新兴技术领域出现更多激动人心的突破性应用，液晶的独特属性和对外部刺激的响应能力为互联和创新的世界开辟了新的可能性，其适应性和多功能性为现在和未来的挑战找到了解决方案。

参考文献

【1】《液晶器件工艺基础》范志新北京邮电大学出版社2000-12

【2】《液晶化学》高鸿锦清华大学出版社2011年7月1日

【3】《液晶显示技术》孙士祥化学工业出版社2013年3月