广袤大草原的朵朵白云，神秘大海上的汹涌波涛，寂静寒冷的极地冰原，水在大自然中拥有常见的三种物质状态，气态，液态和固态。但是在地球上还存在着拥有着第四状态的物质，而它早已无声息的藏在你的身边，藏在你周围的电视，手机平板电脑里，为你带来非凡的视觉体验，它就是液晶。而神秘的它是如何被科学家发现？它的真实身份又是什么呢？液晶的发现
每种物质的发现几乎都离不开化学家，而液晶材料最初却是被一名植物学家发现的，原来液晶还存在于生物体中，在十九世纪后期，一位名叫斐德列•莱尼泽（Friedrich Reinitzer (1857-1927)）的植物学家，在研究中发现了一种神奇的物质，这种物质在从固态加热熔化至液态时，竟然有两个熔化点。
这个实验打破了人们的常规认知。与其他的物质不同，这种奇特的物质在从固态加热至某个温度时，物质熔化，它会先熔化成一种白色粘稠的浑浊液态，当有光照射到上面时，它会像珍珠一样，散发出美丽多彩的光泽，通过继续加热，这种状态消失，物质熔化成完全透明的液态。起初科学家认为这种物质不是单一物质，掺有了杂质，才出现了这种奇怪的现象。但是随着材料的冷却，这种物质会以相反的顺序重复相态的变化，可以重复的还包括两个熔化点（图1）。
图1 神奇的固态与液态的中间态（液晶态）
同一时期，随着显微镜技术的快速发展，一位名叫奥托•雷曼的物理学家，利用偏光显微镜也观察到了这种双熔点的现象。除此之外，奥托•雷曼还首次发现了这种状态下物质对光的独特敏感性。因为这种不同于固态和液态的特性，他将这种状态定义为一种流动性结晶。由此将这种在固态和液态之间，具有流动态特性的物质定义为液晶。图2 为我国的研究者偏光显微镜下拍摄的液晶材料形貌。图3是物质在三种状态下分子排列和运动特性的区别示意图。
图2 液晶材料在偏光显微镜下的形貌
(a）液态：分子的完全无序 （b) 液晶态：分子部分有序且可以流动, （c）固态：分子的整齐的排列
液晶的特点
液晶的种类繁多，目前已合成的液晶材料就超过了一万种。液晶按照形成条件分类可以分为热致液晶和溶致液晶。我们所熟知的大部分显示用液晶材料都是热致液晶，即物质的液晶态是在一定的温度区间内存在。在此基础上，法国科学家弗里德经过大量研究，将热致液晶根据分子分布规律的不同进一步分为三类：向列相、近晶相、胆甾相。向列相液晶是指棒状液晶的指向矢朝向同一个方向，但是液晶分子的个体重心又是杂乱无章的，在偏光显微镜下显示为条纹织构（图4）。常见的显示用液晶都为向列相。
图4 向列相液晶（图片来源于互联网）
近晶相液晶是指液晶分子一维有序，指向矢朝向和光轴垂直于一维层，在偏光显微镜下显示为扇形织构（近晶A相，图5）。
图5 近晶相液晶（图片来源于互联网）
胆甾相液晶是具有手性螺旋结构的层状液晶，在偏光显微镜下显示为螺纹织构（图6）。
图6 胆甾相液晶（图片来源于互联网）
液晶的本质是一种有机化合物，显示类液晶通常是由一种由苯环，环己环等刚性有机结构组成的棒状分子，在棒状结构的两端加入一些柔性链，用以改变液晶分子的液晶相态区间。图7是一种常见的液晶棒状分子，这种棒状液晶分子的长轴方向与短轴方向的电子云密度不同，它引起了液晶分子在长轴方向和短轴方向不同的物理特性，这种物理特性间的差异被称为液晶分子的各向异性，也是我们将液晶分子应用于显示的最基础原理。
图7 液晶分子结构式与电子云密度图
如图8所示，如果可以通过电场来控制液晶分子转动，再利用液晶分子的控制光路的能力，那么就可以实现利用电来决定光如何传输，这是多么美妙的事情。
图8 液晶分子控制光传输的原理图
液晶的应用—液晶与显示
用电来控制光，最著名的莫过于灯泡的发明了，通过灯泡的亮暗，可以显示画面，如果需要显示家用电视分辨率的画面，灯泡的数量就需要约207万个（全高清图片分辨率为1920×1080，含207.36万个像素）灯泡工作，不过那可是一个巨大无比的工程。而利用液晶材料进行控制，而且由于液晶分子尺度仅有几十埃（1埃=10-10米，一根头发的粗细可以容下上万个液晶分子），通过半导体技术，就可以轻松的把高分辨率的画面轻松的显示到各种尺寸。随着科技飞速发展，科学家利用化学知识合成了各种各样的液晶分子，同时也可以让电路实现了小型化，对液晶显示的发展提供了技术基础。1968年，美国人乔治•海尔迈耶发明了以动态散射为原理的第一代液晶显示装置（图9），从此，液晶正式开始应用于显示技术。1971年，瑞士的谢弗发明了扭曲向列相技术，日本精工集团推出了基于扭曲向列相显示模式的电子手表（图10），这种技术解决了驱动电压高，响应速度慢的问题，并成功实用化。扭曲向列相模式成为了第二代显示模式的开端。
图9 乔治•海尔迈耶和动态散射显示器资料图
图10 世界首枚扭曲向列相数字液晶显示器
扭曲向列相技术的成功源于偏光原理，成功地将液晶特殊的光电优势发挥了出来。如图11所示，当液晶被放在屏幕的两片偏光基板中间，并通过上下基板的正交沟槽将液晶锚定住，从而使屏幕中液晶分子层发生了扭曲。当光线从一面
图11 扭曲向列相的显示原理
基板进入，光线经偏光处理变成线偏振光，沿着有序排列的液晶分子发生偏转，最终在另一面的偏光片中射出。这时从屏幕正面观察，是白色的透过模式。当对上下基板加电，液晶分子会沿着电场方向竖立起来，从而打断了光通过的路线，光无法透过。这时从屏幕上方观察，变成了黑色的阻隔模式。通过加电来改变液晶分子的排布，从而改变光线的透过状态，这就是现代液晶显示的理论基础。薄膜晶体管的发明，带动了第三代液晶显示技术的发展。通过液晶面板上的TFT开断功能，成功地将液晶控制开关缩小到微米级别，从而显示不同的图形，在同一个屏幕上实现了动态显示（图12）。
图12 无处不在的液晶分子
薄膜晶体管的发明也解决了第二代液晶显示器只能显示简单内容的缺点，彩色动态液晶显示器面世，液晶材料完全覆盖了几乎所有的显示领域。大家也可在家里用放大镜或者显微镜看一看身边的电脑，手机的屏幕，找到液晶材料的藏身之处吧。液晶的发展—其他应用
液晶在显示领域的应用只是其特性的一种体现，而其特殊的光电性就能决定液晶的应用会给人们的生活带来更多丰富的选择。这些选择中最常见的当属聚合物分散液晶（PolymerDispersed Liquid Crystal，PDLC），这种液晶是将液晶分子和预聚物混合在一起，当预聚物发生聚合反应形成聚合物后，液晶分子就被固定在聚合物网格内。当不加电时，液晶分子排列分散，入射光会被强烈散射，从而光无法通过液晶层。当加电后，液晶有序排列，光轴垂直于聚合物薄膜表面，与电场方向一致，入射光不再发生折射，光线得以从液晶层投射过去（图13）。这种对光线的开关功能，使得PDLC应用非常广泛。最常见的应用就是智能窗户和透明显示，这些应用也已经开始应用在实际生活中。
图13 聚合物分散液晶PDLC工作原理
随着液晶技术的发展，液晶将应用在越来越多的领域。如在生物医学领域，DNA和RNA都是生物性胆甾相液晶，生物细胞组织的细胞核和细胞膜都是由溶致液晶组成的，液晶的光电特性在生物医学上的表现也使其在生物领域有着更广阔的应用前景。在智能机器人领域，利用液晶对不同波长光的反馈不同，改变偏振光的波长和方向，可以实现任意方向的分子伸缩等机械运动。还有一些其它更为前沿的研究方向，比如存储介质、人工肌肉（图14）等。
图14 液晶仿生机器人。（左）液晶镜头（中）液晶人工肌肉（右）
因此，液晶的路会在显示行业里越走越稳，同时在其它行业里越走越宽，越走越远。
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。本书涵盖了18种最新的前沿新材料，主要包括信息智能仿生材料、纳米材料、医用材料以及新能源和环境材料。所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是本硕博研究生更好地学习和了解前沿新材料。
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