人们对液晶的认识大约已经历了一个世纪。莱尼茨尔（F. Reintzer）曾因发现液晶而享有盛誉。十九世纪五十年代中期已有文字记录描述了与液晶性质相类似的规律。然而关于液晶性质和结构方面的研究，却开始于二十世纪五十年代，即布朗（G. H. Brown）和肖（W. G. Shaw）在《化学评论》上发表文章之后（1957年）。
科学家们习惯上认为物质存在着迥然不同的三种状态，即固态、液态和气态。在气体状态，微粒充满整个容器，并在其中自由自在无所约束地漫游。在液体状态，分子没有高度的序列性，分子绕其长轴旋转也不大受限制。在固态，分子间距离大约与分子的大小相当。固体结晶态的主要特征是分子间结合力强，分子排列有序。而液晶却是物质的另一种状态，从结构上说，它介于液态和固态之间。
莱尼茨尔发现化合物胆甾醇苯甲酸酯（热致液晶）受热时发生相变。室温下，胆甾醇苯甲酸酯是白色结晶固体。当加热至145℃时，其晶体结构浪裂，形成混浊的液体（液晶）。继续加热至179°C时，混浊液体的结构破裂形成液体。如果冷却该体系，变化过程则颠倒过来。
莱尼茨尔另一个最有趣的观察是发现混浊液体的颜色随温度的变化而改变。随着温度升高，其颜色由红变蓝，如果冷却该体系，颜色变化则相反。但是，并非所有的液晶化合物都随温度变化而发生颜色变化。
现在常把液晶划分为两类。即根据破坏原有固体中晶体序列的主要方式把液晶分为热致型和溶致型。研究最广泛的液晶类型多半是热致型。热致型液晶可通过加热某种物质或某几种物质来制备。
用一定量的水或其他极性溶剂处理某些化合物可形成溶致液晶。这是一种双折射性液体，其性质与加热某种固体形成的双折射液体相类似。液晶呈现出既非液体、又非固体的性质。热致液晶的某些特性是：（1）形成单晶（分子在一维空间有序）用于普通的磁场，电场或电磁场中；（2）某些胆甾型液晶具有与其他物质状态都不相同的光学活性：（3）胆甾相结构对温度敏感，随着温度变化而发生颜色变化。
分子形状和液晶态
为了帮助选择显示液晶态的化合物，在此提出一些关于可形成液晶态的分子几何形状的基本论点。选择热致液晶有机化合物的一些原则是：（1）大多数液晶化合物有芳香基核，芳香基核是可极化的、平面型结构，并有固定的结合方式；（2）分子的中基团（X）在分子的长轴方向上常有多重键，或者形成了共轭双键体系，或者有羧基的二聚合作用；（3）连接两个苯环的中心基团（X）形成条状或棒状的分子核心；（4）分子的长度应该比其直径大（呈0柱形）；（5）强极性基团靠近分子中心并顺着分子的轴，通常会增强液晶性；（6）弱极性基团位于分子末端也会增强液晶性。
最普通的液晶分子呈圆柱形。典型的分子结构可图示如下：
A和B是末端基团，例如甲基（—CH3），乙基（—C2H5），甲氧基（—OCH3），乙氧基（—O C2H5），卤素等等。中心基团及成键情况可能是：
一种典型的化合物是对—甲氧基苄又—对—正—丁基苯胺（MBBA）。该分子的长度是20 ?，而直径是7 ?。
第二类分子形状是胆甾型。胆甾型液晶（通常称为胆甾—向列型或手征—向列型）分子内必须有手征性中心。手性分子与其镜像是不能重叠的。胆甾醇酯是最普通的胆甾型结构，并且有产生独特光学性质的分子形状。表中列出了胆甾醇壬酸酯的骨架结构。
第三类分子呈圆盘形。实验室中初次制成的较小的圆盘分子可能是苯六—正—烷基羧酸酯和六—烷氧基三苯撑。六—丁氧基三苯搾的骨架结构如表中所示。
热致液晶
数千种有机化合物受热时呈现液晶态，这化合物称为热致液晶。
热致液晶可以再分类为向列型结构和近晶型结构。尽管向列型液晶又有多种类型，而我们仅讨论一般的向列型结构和胆甾型结构。
一般向列型结构
—般向列型液晶中分子的排列如图la所示。图中的线条代表结构中的分子，这些分子的主轴在空间的方位是任选的，唯一的结构限制是分子的长轴彼此保持平行，或者呈近似乎行的排列。这种结构称为一维空间堆积。
向列相液晶受热时会转变成各向同性的液体。这是一级序列转变。转变焓通常在0.1 Kcal/mol和1.0 Kcal/mol之间。尽管向列型液晶的分子取向并不完全一致，但是其取向程度可以用一个单一序列参数给予适当的表示：
S=（3/2cos2Q-1/2）
式中Q代表分子的长轴与向列型对称轴之间的夹角。S的实验值范围大约从0.4至0.6。在向列相—各向同性相变点大约是0.4，在低温下大约是0.6。当分子取向完全一致，即分子的长轴全部平行时，S等于1。
胆甾型结构
胆甾相中的分子一般排列成螺旋形。定性地说，这类分子结构是由分子的层状排列通过盘旋重叠形成的螺旋形结构。请看图1b，下层分子的长轴方向基本上与其他分子的轴相平行。如果你看第二层，你会发现分子的方位也是使它的长轴与相邻的分子平行。如此继续组合，一层压一层，交错重迭，最终就形成了宛如迂回曲折的楼梯形结构，这就是螺旋形排列。这类螺旋物一个有趣的现象是对光的衍射，长期以来，人们就知道固体例如食盐会使X－射线衍射。但是这类分子排列发生在可见光区的衍射几乎可以忽略不计。
螺距P以及这类螺旋物反射光的颜色却强烈地依赖于温度。胆甾—向列型化合物均匀的平列薄层是良好的温度探测器。通常螺距随温度的升高而减小，反射光的光带转移到短波区（倾向于蓝色）。在胆甾相转变为近晶相的相变点附近，温度的灵敏性极强。最近观察到，螺距小于700 nm的胆甾型化合物在各向同性及胆甾相区域之间呈现蓝色相。
近晶型液晶
近几年间，近晶型液晶的研究活动已大大加强。已发现的近晶型液晶至少有九类。其中八类分子排列为层状结构，在层内和层间具有特殊的集合方式。其余一类近晶型结构是各向同性的，称为SD。它并不具有层状结构，而是立方堆积。近晶型A的分子结构如图1c所示，而近晶型C的分子堆积如图1d所示。
溶致液晶的结构
第二类液晶称为溶致液晶。由两种或多种物质混合而成。其中一种物质通常具有极性（例如水）。
溶致液晶一般由“溶解”固体的反应来制备，主要根据其结构来分类。我们将要着重讨论的溶致液晶是由水和双极性化合物组成的双组分体系。例如生物体系中的卵磷脂，胆甾醇、胆汁酸盐和水。双极性化合物有一个易溶于水的（亲液的）极性头部（离子型）和一个不溶于水的（疏水的）有机质尾部。双极性化合物的分子形状有两种普通的类型。硬脂酸钠是典型的1 - 型分子。在这类分子中，极性头部仅与一个长长的疏水（不溶于水）的尾部相连接。
2 - 型分子的极性头部则与两个疏水尾部相连接。疏水基团通常彼此并列相靠形成“晒衣架”结构，或者互成锐角，形成“晒相夹”形分子。
空气溶胶OT和磷脂是2 - 型分子。空气溶胶OT的分子式是：
把水加入双极性晶体中会产生一系列结构。就其组合方式来说，形成的多形性中间相会出现片层状分子堆积（排列层次称为纯净相）、立方分子堆积（粘滞相）和六角形分子堆积（中间相）。
当除去水时，中间相形成的顺序则颠倒进行。以上论述可用图表示如下：
双极性分子和水形成的结构：
1. 片层结构（“纯净”相或“G”相）
通常认为这种相的特性类似于近晶相。双极性分子相互平行排列与水结合形成片层状（类似层状）结构。但片层状结构中的分子可能倾斜于所在层的平面。
2. 六角形结构（“中间”相或“M1”相）
这种结构在水量较多或温度较高时，比它的片层状结构稳定。X - 射线衍射的研究表明，双极性分子先聚集成长度不定的棒状束，然后再平行排列成六角形结构。
3. 立方结构（粘滞的“各向同性”或“V1”相）
在某些体系中，稳定的G相和M1相之间，还有一个中间相。一般的光学观测除了证明它是各向同性体系外，不能提供该相结构方面的情况。X - 射线衍射的研究则表明，其分子先排列成球形，然后由这些球形结构形成立方晶格（胶束）。
在溶致液晶中，常发现一种相反的结构。在这种结构中，极性基团朝里，并包围着一个水质核心，棒状体之间的介质是烃的混合物。
热致液晶的性质
液晶的七个通性可概括如下。一束白光通过晶体或液晶时，分成两束，以不同的角度折射，射出时相互平行。这两束辐射线表现出不同的颜色。该性质称为双折射性。
二色性是物质使透过它的光线呈现不同颜色的性质。就液晶物质来说，胆甾型液晶表现出最有趣的二色性。当白光照射在胆甾类化合物表面上时，光线被分成两部分，一部分顺时针方向转动，另一部分反时针方向转动。按照液晶的类型，一部分从表面上反射出去呈现一种颜色，另一部分透过该表面，呈现另一种颜色。
胆甾型液晶还表现出独特的旋光性，即具有改变偏振光振动方向的能力。胆甾型液晶的旋光性比其他任何已知物质都强。例如1毫米的石英切片可使蓝色光的偏振面旋转约39°，而1毫米的异戊基 - 对（4 - 氰基苄叉氨基）肉桂酸酯切片能使偏振面旋转若干整圈。
液晶还对电场的作用敏感。向列型和胆甾型液晶尤其突出。液晶也能感应磁场，这些性质将在应用一节作更充分的阐述。
一些热致液晶和溶致液晶在受热及加入第二种成分时，都会经过一种以上的介晶相。也就是说，这样的化合物呈现多形性。不同介晶相形成的顺序可以根据各相的相对稳定性作出推测（例如，我们都知道，近晶相B比近晶相A更有序，而近晶相A比向列结构更有序）。升高介晶相化合物（液晶）的温度，可导致分子序列逐级破坏。因此，稳定顺序是：
液晶有各种不同的相，包括向列相、胆甾相、蓝色相以及至少八种不同的近晶相。每种相都有其自身的结构特征。试样的制备技术以及观测方法对所研究的液晶结构都有影响。例如，把分子排列方向垂直于所成平面的液晶放在表面经过卵磷脂或有机硅烷处理过的玻璃片之间，一旦特殊的结构形成，其外形则可以通过照射和观测进一步再现。
通过表面作用可以调整液晶薄膜中分子的方向。当摩擦薄膜表面时，分子的长轴则会平行于摩擦方向排成直行。其它表面作用，如某些表面活性剂可以调整分子的方向，使其长轴垂直于薄膜表面。
应 用
在这篇短文中不可能详细介绍液晶的应用情况。因此，我们仅描述液晶应用的基本原理，并简要说明某些典型的应用。
向列剂晶
液晶显示准确、可靠，动力消耗低，具有多种功能以及优良的灵敏性，因而甚至在外界照明度很高的条件下，液晶也是显示新设备的最好材料。典型的应用是将少量一般向列液晶放入薄板光学盒中，在盒壁上涂有透明的导电薄膜（SnO2或SnO2和In2O3），并经精心处理使长条状液晶分子的方向符合规定。
应用电场改变分子的平行性，使偏振光在盒中不改变方向就能够透过去。如果在第二个偏振镜后面放一个反射镜，加上电压，液晶盒显黑色。如果把一个电极做成数字显示板，那么当加上电压时，就成为一个数字显示器。改变偏振光的方向，黑色背景会显示出白色数字。
把染料溶解于液晶中，染料的吸收光谱会随着有无电场而不同。设想液晶处于向列相，没有电场时，液晶分子仅稍微有序。如果应用一个电场，分子的长轴则会平行于电场方向排列。染料分子也随液晶晶核进行排列。即染料分子的长轴也会平行于电场。应用多色染料制成的液晶盒类似于一般液晶显示元件。
胆甾型液晶
胆甾型液晶的应用之一是检测温度。胆甾型液晶不同于向列液晶之处在于它围绕一个垂直的轴，在空间呈螺旋形排列。这使它能够周期性地选择反射与空间周期性相一致的波长一定的光波。由于胆甾型螺旋物的螺矩实际上对温度、电场、磁场，不纯洁的杂质等都很敏感，所以胆甾相液晶具有一般向列液晶不具备的显示功能。温度效应在非医学方面的应用包括印刷电路板，焊缝及接合器缺陷的测定。
自1964年以来，液晶被用作医疗工具。例如胸癌的检查，周围血管疾病的反常静脉图像的研究，胎盘的定位及原发性和转移性皮肤癌的探测都应用了胆甾相液晶随温度变化反射光颜色发生变化的特性。此外，液晶还用于诊断镰形细胞贫血病，动脉硬化及胆石症。
纤维材料
近来，新的研究课题转向一个长期被忽视的科学领域——聚合物液晶的研究。巨型分子自然排列成行形成的液晶可用作电子元件乃至超高强度材料。超高强度聚合物的特征是它的结晶程度（分子有序性）。具有液晶序列的高聚物在熔化状态和溶液中表现出扩大的固体结构。这些现象意味着液晶相对于超高强度材料的制造很重要。
当杜邦公司发现称为“克服拉”的纤维时，液晶聚合物的研究完成了一项惊人的突破。“克服拉”可用于特殊服装如防弹服和防水衣的缝制。
用天然树脂或合成树脂可制备石墨纤维，它们都具有天然的液晶态。合成石墨材料可由加热低分子量的芳香烃，例如蒽来制备。再用这些母体树脂可制造纤维材料。用此法制得的化学产品抗拉强度高而且重量轻，可用于轻便工具如高尔夫球棍手柄的制造。
油的萃取
液晶体系也用于油的萃取。自然界通常有包括水、油和表面活性剂的三重体系。当三种组分的组成和浓度适合形成液晶时，油最易溶解于其中。
细胞膜
在生物体系中，细胞膜和组织是常遇到的液晶形式。近来广泛应用的细胞膜结构是片层状结构（普遍用于表面活性剂工业中。）膜的骨架结构主要是排列为两层的磷脂。
液晶作溶剂
液晶是许多有机化合物的良好溶剂。它们在色层分离的研究中及分离反应机理和动力学的研究中非常有用。
利用核磁共振，可以确定液晶溶剂中低分子有机物的结构，例如对氧化偶氮茴香醚中环丁烷结构的确定。
总 结
在这篇关于液晶的短文中，我们阐述了液晶一维空间及二维空间的结构特征。前十五年，液晶的许多应用已有发展。尤其突出的是，液晶的研究迅速从实验部门转入了市场。液晶作为优良的显示装置，广泛用作数字温度计，手表、计算器和运动会的显示牌。新的应用将扩大到电话、汽车和电视调节装置中。轻便微信息处理机，如计算机、电视、示波器及其他设备将有特别引人注意的液晶显示。
[Chemical Education，1983年第10期]