今天是：

液晶及其显像原理

    众所周知，物质有三态：固态、液态和气态，其实，物质还能以其它状态存在，其中的一种称为液晶相。
    为说明液晶相，让我们以一种含胆固醇的有机材料为例。它是由碳与氯组成的复杂分子，是细胞膜的重要组成部分，也是血管硬化时堆积在脉管上的沉淀物。实验发现，在室温时，它处于固相，慢慢加热这种固体，到71 ℃，它发生熔化变成液体，但这种液体非常混浊，完全不同于我们日常看到的普通液体，如水、洒精等所能呈现的清晰透明。但若继续加热这种混浊的液体到85℃，我们会突然发现混浊一下子消失了，代之而起的是清晰透明的状态。这种状态可以在继续加热到（如200℃）也不会有什么改变。从科学上讲，由混浊变为清晰必然表示着发生了一次相变，其温度(85℃)被称为这种材料的“清亮点”。进一步想象，人们会认识到如果清晰的液体是普通的液相，则混浊的液体是介于固体与液体间的一种新相，这就是我们要认识的液晶相。物质在这种相时，可以流动，可以呈现容器的形状，表现为流体的特性。但其混浊（即光学上表现）不同于一般液体，表现着一种特殊的物理性质。当然，为使这种新相让大家接受，在上世纪末与本世纪初叶，科学家是颇费了一番周折的。现在公认的液晶发现者是奥地利的植物学家莱尼茨与德国物理学家雷曼，发现的年代是1888年，距今已一个多世纪。
    随着研究的深入，液晶科学家已弄清楚，不是所有的物质都有液晶态。只有那些分子结构有各向异性的几何形状的材料才存在着液晶相。如胆固醇就是如此。这是一种棍子状的长分子。如图所示：

对固相的胆甾醇（胆固醇的学名）来说，分子排列具有两种有序：分子质心位置有序（即有固定的位置）与分子轴方向有序（分子轴倾向于平行排列，所以也叫排列有序）。但对液晶相的胆甾醇来说，位置有序已丧失（因分子可自由流动），但排列或方向有序却保存。而对处于液相的胆甾醇来说，两种有序全部丧失。这就不难理解液晶的含义——位置无序使它像液体，而排列有序使它像晶体，所以它最初是被叫做“有晶体结构的液体”。
    液晶发现虽然已逾百年，但其受到重视还是上世纪六十年代末期的事。当时人们发现用它可生产一种耗能少的显示器件。事实上，现在液晶显示已基本取代阴极射线管（普通电脑或电视的显像管）。其显示的原理是液晶分子排列很容易在一个很小的电场（伏特／微米）作用下而改变，这是因为一个线状分子在电场作用下会产生感生电偶极矩，该偶极矩又会受到电场的转动力矩作用而转动到平行（或垂直于）电场的方向来。这一改变会导致液晶透光性的变化。因此，可把液晶视为一个各向异性的光学晶体，其晶轴会随外场的变化而改变方向，从而引起透光性的改变。实际产品是在这种电场控制的“晶体”上下贴有角度不同的偏光片（偏振片），则加上电场可使这个复合系统从可透光变为不透光，而构成电场控制的黑白显示器件。由于液晶指向矢（从微观来看，在空间一点的分子并不是真的把其长轴固定在某一个方向，而只是倾向于平行于某一个平均方向，这一平均方向被称为液晶的指向矢）随电场大小有不同程度的偏转，因此透光度的变化（即灰度）将随电场大小而变化。若将每个显示元素分为三个区域，并分别贴上红绿蓝三原色滤色片，分别用三套控制电场调制，则这就构成彩色显示。与阴极射线管不同的是，液晶本身并不发光，因此其显示耗能很小，电压很低（几伏），因而可以与集成电路匹配，而装配成所谓的平板显示器，其图像是靠外光（如日光）反射或背光透射（装小日光灯）形成。
    在现代的日常生活中，液晶显示已成为我们生活中无法缺少的一部分。液晶电视、笔记本电脑的液晶显示屏、智能手机等等，成为我们生活便捷和美好的基础。

亚广设计与制作
编引日期：2012年4月25日；修改日期：2022年6月25日