奇妙的相態──液晶(liquid crystal)
資料來源：升學資訊輔導雜誌9103期
修　撰 ：編輯室
一 種介於固態和液態的中間狀態，即所謂的液晶（liquid crystal），已經由液晶顯示器（Liquid Crystal Display，即LCD）的普及化，而變得廣為人知。舉凡科學儀器上跳動的指示燈、百貨商店變幻萬千的電子廣告看板、籃球賽的計分板、電子手錶等，都因 為「液晶顯示螢幕」而開創了新的紀元。但LCD僅僅是液晶應用的一隅而已，事實上液晶可應用的範圍甚廣，也莫怪各大公司都爭相設立機構來從事研究。以下就 為大家簡單介紹這個奇妙的相態。
液晶的發現
西 元1888年，奧地利植物學者Reinitzer注意到他所合成的苯甲酸膽固醇酯（Chelesteryl benzoate）（圖A）竟有兩個「熔點」：在145 時，熔解為一種混濁的液狀物；達179 時，又突然變為一般的透明液體。德國物理學者Lemann取得此樣品，以偏光顯微鏡（圖B）確認其為「有組織方位性的液體」，即「結晶液體」 （crystalline liquid）。後來陸續又發現了許多其他類似的例子，使得科學家們相信這種現象並非偶然，經過數年的研討，終於確定此一「混濁液狀物」在學術上的地位， 即今日所謂的「液晶」。
液晶的材料
有 液晶態的物質，主要見於脂肪族、芳香族及多環化合物等有機物，無機化合物極少（研究報告指出：污─氫氧化鋁或汕─氫氧化鐵等有液晶的性質），自然界的有機 化合物約5％加熱時有液晶的性質。另有錫、水銀等有機金屬液晶化合物。具代表性的液晶物質多為構造長而扁平、有剛性及雙鍵的有機分子，例如4,4'─二甲 氧基氧化偶氮苯（老-azoxyanisole），其結構式如下：
液晶的分類
按照分子的排列，液晶可大致分為以下三類：
第一類：層列型液晶（smectic liquid crystals）
　 　smectic為希臘字，原為「肥皂」之意。此類分子排列成層，層與層之間的作用力相當弱，使得每一層均可在平行層面的方向滑動，但每層中分子間的作用 力相當強，使得受外力而變形之層面有彈性回復的傾向，屬固體的性質，為一般流體所欠缺。此類液晶多應用於光記憶材料的發展。
第二類：向列型液晶（nematic liquid crystals）
　 　此類液晶沒有層列型液晶混濁且較易流動，通常在加熱到較高溫度時，層列物質即被轉變成線列物質。線列液晶中，分子的排列好比一盒火柴棒：它們是並排躺著 的，每個分子除可自身轉動外，尚可相互滑動。此類液晶由於不同區域間的界面會反射光線，所以在顯微鏡下可以看見線狀的構造。此類液晶是最早被應用的液晶， 常見於液晶電視、手提電腦以及各類型的顯示元件上。
第三類：膽固醇型液晶（Cholesteric liquid crystals）
　 　膽固醇型液晶的分子結構多與膽固醇相似（如圖A；但膽固醇本身並不是液晶），這類液晶具有類似於線列物質的排列規則，然而，其分子是在連續的層上而不是 隨便排列。每一層都是一片片的分子堆，同一片上的分子長軸指向相同方向。隨著從這一片過渡到下一片，分子長軸會轉動一個小小的角度，結果形成螺旋狀結構， 也正因這種奇特的排列方式，使其具有特殊的光學性質，常被運用於溫度感測器中。
液晶的性質
具 有液晶態的物質，在最終熔化成清澈液體之前的某一確定溫度下（transition temperature，即「轉化溫度」）會轉變成混濁的液相。這混濁的液相可以像一般液體那樣流動，並具有表面張力；但是，它們的分子具有一定程度的有 序性，致使這些混濁液相在某些光學性質方面又與晶體相似，是故被稱為液晶。
在 許多晶體中，光在每個方向上的速度都相同，因此，各個方向的折射係數也相同，我們稱這類晶體是「各向同性」（isotropic）。而另外有些晶體（例如 冰洲石CaCO3）則是各向異性（anisotropic），則光在晶體各個方向上的速度便會不同。若是通過這種晶體去觀察物體，會看見雙折射的影像，故 此類晶體為雙折射體。此外，各向異性的晶體在偏振光中會出現干涉花紋。而液晶即是各向異性的。
特 別要提及的是膽固醇型液晶其螺旋結構對不同波長的光有不同程度的反射性質──反射光的波長與螺旋體的螺距（pitch）成比例。如果反射光處在可見光區， 則膽固醇型液晶便會顯現顏色。由於螺旋體的螺距隨溫度而改變，因此反射光的顏色也會發生改變。膽固醇型液晶中的某些材料對溫度變化十分敏感，只要溫度有小 如0.1 的變化，它的顏色改變即已跨越了整個顏色範圍。
液晶的應用
電 池是手錶及其他儀器的液晶顯示之基本結構組。在這些電池中通常使用的是線列液晶，由於線列液晶是可流動的，而且它的分子具有極性，所以用一個很小的電場， 便可改變液晶分子的取向，取向改變會使光學性質發生變化而使電池呈現晦暗（若經偏光片看是黑色的），即可用來顯示信息，例如時間或日期等。
另 外，膽固醇型液晶，它對約3 的體溫變化範圍可以顯現全顏色的響應，因此可用作皮膚自測溫度計（skin thermograph）。醫療專家利用這種溫度計去檢測靜脈和動脈的栓塞（靜脈和動脈上方的皮膚較別處要暖和一些）；此一液晶薄膜亦可被用於圖示皮膚的 溫度，有助於發生病變之組織的診斷（例如乳腺癌）及描繪出電路溫度圖。若用溫度範圍合適的膽固醇型液晶則可製成室溫溫度計，把溫度的變化透過不同顏色的數 字顯示出來。此外，某些商店已售有跟隨個人情緒（溫度）而改變顏色的液晶戒指。
電子工業則使用膽固醇型液晶去找尋電路中的電位故障點，因為此處會顯示「熱點」而被檢出。此外，由於膽固醇型液晶之顏色亦會隨壓力而改變，所以可用於探測應力分布的實驗，例如將液晶塗於試驗飛機的表面，由其顏色之分布可得應力之分布情形，可協助設計出性能更優良的飛機。
結　語
液 晶的發現距今百餘年，從初期的混沌未明至今日在高科技上的廣泛應用，其間曾遭逢過數次的阻礙。而今這個奇妙的相態看似蓬勃發展，卻仍潛藏不少有待突破之 處。本文所述僅是液晶的皮毛而已，並不能使一窺液晶的全貌。倘若已經引發同學對液晶的興趣，建議不妨於日後專事此項研究，或許液晶發展史上的下一個里程碑 就看各位同學囉！