液晶-北京大学化学与分子工程学院课件.ppt

1、化学学院高分子科学与工程系 II.软物质中的力、能量与相互作用方式软物质中的力、能量与相互作用方式I.前言前言VI.特殊软物质体系的物理学：特殊软物质体系的物理学：胶体、高分子、凝胶、胶体、高分子、凝胶、液晶分子液晶分子第八章第八章 液晶分子液晶分子1.液晶：液体液晶：液体+晶体？晶体？分子取向长程有序，位置无序（分子取向长程有序，位置无序（mesophase）Isotropic phase Polar phase Nematic phase 液晶相的分类液晶相的分类1.溶致液晶溶致液晶(lyotropic liquid crystal phase)：溶液中通过浓度调控形成液晶相。如溶液中的溶

2、质分子体溶液中通过浓度调控形成液晶相。如溶液中的溶质分子体 系，两亲分子组装系，两亲分子组装 的层状相、柱状相；长棒状分子；生物膜等。的层状相、柱状相；长棒状分子；生物膜等。2.热致液晶热致液晶(thermotropic liquid crystal phase)：有机分子从固晶相加热熔化后（熔点）形成液晶相，更高温度下有机分子从固晶相加热熔化后（熔点）形成液晶相，更高温度下 （清亮点）转化为各向同性液体。（清亮点）转化为各向同性液体。熔点：熔点：118.2 oC 清清亮点：亮点：135.5 oC熔点：熔点：21 oC 清清亮点：亮点：48 oC棒状分子热致液晶相的分类：棒状分子热致液晶相的分

3、类：向列相向列相(Nematic phase)螺旋状相螺旋状相(Cholesteric phase)层状相层状相(Smectic phase)液晶相的表征：液晶相的表征：例子：例子：Nematic相的表征相的表征例子：例子：Smectic A相的表征相的表征例子：例子：Smectic C相的表征相的表征盘状分子液晶相：盘状分子液晶相：向列相向列相(Nematic phase)柱状相柱状相(h phase)2.液晶的取向有序序参量液晶的取向有序序参量序参量张量序参量张量S描述了取向有序度大小描述了取向有序度大小各向同性无序相各向同性无序相S=0；完全取向；完全取向S=1 描述了向列相有序的取向描

4、述了向列相有序的取向 液晶科学液晶科学90%的内容在控制有序的取向的内容在控制有序的取向3.液晶的液晶的isotropic-nematic相变理论相变理论宏观理论：宏观理论：Landau-de Gennes理论理论3.液晶的液晶的isotropic-nematic相变理论相变理论Landau-de Gennes理论理论3.液晶的液晶的isotropic-nematic相变理论相变理论两分子的相互作用势能两分子的相互作用势能N个分子，每个分子和个分子，每个分子和q个个相邻的分子相互作用相邻的分子相互作用微观理论：微观理论：Maier-Saupe理论理论分子独立涨落假设分子独立涨落假设3.液晶的液

5、晶的isotropic-nematic相变理论：相变理论：分子的取向熵分子的取向熵总自由能总自由能结合拉格朗日乘子法，自由能的泛函为结合拉格朗日乘子法，自由能的泛函为0条件：条件：Maier-Saupe理论理论3.液晶的液晶的isotropic-nematic相变理论：相变理论：分布函数满足方程：分布函数满足方程：结合归一化条件：结合归一化条件：S须满足自须满足自洽条件：洽条件：Maier-Saupe理论理论3.液晶的液晶的isotropic-nematic相变理论相变理论硬的圆柱系统硬的圆柱系统微观理论：微观理论：Onsager理论理论3.液晶的弹性性质液晶的弹性性质Frank free e

6、nergy3.液晶的弹性性质应用：液晶的弹性性质应用：Frederiks transition表面场与磁场（电场）取向的竞争表面场与磁场（电场）取向的竞争3.液晶的弹性性质应用：液晶的弹性性质应用：Frederiks transition表面场与磁场（电场）取向的竞争表面场与磁场（电场）取向的竞争3.液晶的缺陷液晶的缺陷拓扑缺陷：液晶取向矢量不连续地改变拓扑缺陷：液晶取向矢量不连续地改变(disclinations)1.Soft Condensed Matter,Richard A.L.Jones,Oxford University Press,20022.Soft Mater Physics,Masao Doi,Oxford University Press,20133.J.V.Selinger,Introduction to the Theory of Soft Matter,Springer(2016)(easy to understand)参考书