1.2.1 液晶的相结构与分类

物质的三种形态分别是固态、液态和气态。而液晶是一种兼具有固态（结晶）规则性和液态流动性的物质。它具有类似固态晶体的力学、电学、磁学性质，同时又具有类似普通液体的流动性质，而且还能表现出不同于晶体和液体的特殊光电特性。

1.物质的状态

物质状态彼此间的不同在于每种状态中分子具有不同的有序度。

固态物质的分子刚性排列，它们占据特定的位置，进行一定的排列取向，具有高度的有序度，物理上表现为坚硬，具有一定形状，很难形变。液态物质的分子自由流动，也不以特殊方式取向，但分子间作用力较强，物理上表现为没有固定形状，具有流动性。气态物质的分子相互作用力小于液体，分子取向杂乱无章，物理上表现为没有一定形状，没有恒定密度，易于压缩。温度对于物质的作用是分子无规则运动的量度。随着温度的升高，分子无规则运动加剧，固态可以转变成液态，液态可以转变成气态。

相即态，它用来描述物质的一种特定状态，并称那种特定的物质状态是在那个温度下的稳定相（态）。例如，冰的稳定相是固相，水的稳定相是液相，水蒸气的稳定相是气相。相变指温度改变会引起的物质的相的改变。相变温度是指相的改变发生在一个精确的温度下，即在那个温度下发生了相变。在相变中发生重要变化的是物质分子的有序度。

物质的三种形态如图1-4所示。液晶相是在1个或2个方向（维）上长程有序，即在2个方向上结晶而在1个方向上呈液体，或者在1个方向上结晶而在2个方向上呈液体。通常的结晶（相）是在3个方向上结晶，而通常的液体（相）是在3个方向上呈液体。液晶相存在条件：内部要求分子在性状上是长棒状的，即长度远大于宽度，分子的中心部分具有一定的刚性，分子两端具有一定的柔软性；外部要求只有在一定的物理条件下，液晶物质才处于液晶相，如一定的温度范围的热致液晶或一定的浓度范围的溶致液晶。

2.液晶相的分类

根据形成液晶相的外部物理条件，液晶通常被分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶是指其液晶相的转变是由温度的变化而引起的。溶致液晶是指其液晶相的转变是由溶剂中组成分子的浓度的变化而引起的。热致液晶根据组成分子或分子团的结构的不同，可以分为长棒状分子液晶和盘状分子液晶。1922年，Friedel把液晶分为向列相、胆甾相和近晶相，主要就是长棒状液晶。

Sackmann和Demus提出了一种溶混方法来鉴别液晶的不同相：如果一个未知相与一个已知相在任意比例范围内都相溶，那么它们就在这个范围内具有相同相；反之，就不能确定它的液晶相。国际液晶与国际纯化学和应用化学联盟命名方法判断已知的液晶相如下。

（1）结晶相：Cr代表结晶相，Cr1、Cr2、Cr3、……代表多种结晶模型；Cr*代表手性结晶相。

（2）软晶体相（位置长程有序）：B、E、G、H、J、K代替前面所用的SmBcryst、SmE、SmG等，B*、E*、G*、H*、J*、K*代表由手性分子组成的软晶体相。

（3）近晶相（也称层状相）：SmA、SmB、SmC、SmI、SmF代表非手性近晶相，SmA*、SmB*、SmC*、SmI*、SmF*代表手性近晶相。

（4）近晶相SmC*次级相：SmC_α*仍然存在争议，但是假设存在于一些样品的SmA*以下的非对称相。SmC*为螺电性手性近晶C相，它经常表现为铁电性。SmC_1/3*和SmC_1/4*为中间相，经常被误导为压电相SmC_F11*和SmC_F12*。SmC_A*为反铁电手性近晶C相。

（5）其他一些反铁电相：SmI_A*代表反铁电近晶I相。

（6）扭曲晶界相（只在手性材料中出现）：TGBA*为扭曲晶界近晶A相，TGBC*为铁电扭曲晶界近晶C相，TGBC_A*为反铁电扭曲晶界近晶C相。

（7）向列相：向列相用N；手性向列相用N*，也可以用于胆甾相。

（8）蓝相（仅在手性材料中出现）：BPⅠ*、BPⅡ*、BPⅢ*为蓝相。

（9）各向同性相：非手性用Iso、手性用Iso*。

（10）其他相：立方相和香蕉相等。

3.三种重要的液晶相

向列相、胆甾相和近晶相是三种应用较广的液晶相。

如图1-5所示，向列相的分子具有长程的取向有序性，而没有任何的长程位置有序性，即分子趋向于沿某个方向排列。这个方向通常称为在这个区域的分子的从优取向，定义为液晶分子在此处的指向矢n。在一均匀排列的样品中向列相液晶是光学单轴的并具有强的双折射性。

近晶相的分子排列成层状结构。在垂直于层的法线方向k，分子具有一维的位置有序性，而在每一层中分子具有取向有序性，所以它比向列相更有序。近晶相液晶中层间的吸引力比分子横向相互作用力弱，所以层可以容易地相对滑动。对于一个给定的材料，近晶相往往出现在比向列相更低的温度区间。根据在每一层中分子的排列结构的不同，还存在多种不同的近晶相液晶，如SmA、SmC等，如图1-6所示。近晶A（SmA）相的分子在每一层中是垂直于层的平面排列的，而分子在层中不具有长程位置有序性。它具有光学单轴性，光轴垂直于层的平面。近晶C（SmC）相的分子在层中与SmA相一样不具有长程位置有序性。在每一层中，分子不再垂直于层平面，而是和层的法线构成一定的角度θ₀。由于分子短轴具有不同扰动模式的两个特殊方向，所以SmC相具有光学双轴性。

如图1-7所示，当液晶中含有手性分子时，对应于SmC相的将是螺旋结构的近晶C相，也叫胆甾相或铁电C相，即SmC*。液晶分子在层内的可能取向呈一圆锥形轨迹，分子将围绕指向矢沿θ₀角旋转排列，自发极化矢量P_s垂直于指向矢，这种螺旋排列沿层推移，且从宏观上没有自发极化产生。螺距P是指向矢在圆锥上转2π沿着层法线方向所通过的距离。