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如今，液晶电视、液晶电脑等与液晶有关的产品，已经悄然来到我们身边，融入了我们的学习和生活。对年轻人来说，拥有一款很酷的液晶手写屏手机，无疑是件时尚而令人愉快的事。但液晶究竟是什么？它有着怎样传奇的身世和神奇的性能？下边，就让我们一起揭开它神秘的面纱吧！
物质的第四状态——液晶
中学物理和日常经验告诉我们，物质在自然界中通常以固、液和气三种相态形式存在。当外界条件（如压力或温度）发生变化时，物质可以在三种相态之间进行转换，即发生所谓的相变。然而，科学研究发现，“固、液、气”三态，决非物质状态的全部。
绝大多数物质发生相变时，都是直接从一种相态转变为另一种相态，中间没有过渡态生成。例如，固态的冰受热后，从分子呈有序排列的晶体，直接转变成分子呈无序状态的液态水。但奇怪的是，有一些物质，当受热熔融或被溶解时，它们却不是直接从固态变为各向同性的液态，而是要经过一个所谓的“中间状态”。这个中间状态，外观看似浑浊的液体，可以流动，但其光学性质和某些电学性质，却又和晶体相似，也就是说，具有晶体的某些特性。如果温度再升高，浑浊的液体才会变成澄清、同性的液体。反过来，这类物质从液体转变成固体时，也要经过中间状态。这种在一定温度范围内兼有液体流动性和晶体有序性的物质，就叫做液晶，被称为物质的第四态。
我们知道，结构决定性质，性质决定用途。液晶独特的结构，决定了其特异的性能和独特的用途。当光线穿过液晶时，液晶特异而迷人的光学性能，就表现了出来。由于棒状分子的缘故，光沿着与棒状分子平行的方向和沿着与棒状分子垂直的方向通过时的速度不同，因此液晶有双折射性。换句话说，就是要用两个折射率来描述这种异常行为。如果在两正交偏振片之间放入一般的液体，什么变化也没有，因为一般液体不影响光的偏振，所以穿过第一块偏振片的偏振光仍被第二块偏振片吸收。但是，若放入液晶，其结果就大不相同，即有亮光出现。这就是说，放入液晶后，偏振光的偏振方向发生了某种旋转，因而能够从第二块偏振片上射出。此外，液晶还能在电磁场中整齐排列。人们正是利用液晶的双折射性以及棒状分子沿电场方向整齐排列的性质，设计制作出了多种液晶显示设备。
科学探索
1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔，发现了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点。把它的固态晶体加热到145℃时，产生了带有光彩的液体，而且浑浊不透明（一切纯净物熔化时应该是透明的）。如果继续加热到175℃时，它再次熔化，光彩消失，液体清澈透明。此澄清液体稍微冷却，混浊又复出现，瞬间呈现彩色。
莱尼茨尔反复确定他的发现后，向德国物理学家莱曼请教。当时莱曼建造了一台具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶过程，后来又加上了偏光镜。从那时开始，莱曼的精力完全集中在这类物质上。他最初称这类物质为软晶体，后来改称晶态流体，最后深信偏振光性质是结晶特有，又改称“液晶”。这类物质好比是既不像马，又不像驴的骡子，当时有人称这类物质为有机界的骡子。莱尼茨尔和莱曼后来被誉为液晶之父。
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液晶是一种具有特定分子结构的有机化合物凝聚体，分子形状大多为棒状或圆盘状。如下图，原子们“拉起手”来构成棒状或圆盘状液晶分子。
液晶的种类
目前已有75000多种液晶物质。液晶的分类方法有多种，按液晶形成的条件，可分为热致液晶和溶致液晶两大类。
通过加热而呈现液晶态的物质称为热致液晶，多数液晶是热致液晶。目前用于显示材料的基本上都属于热致液晶。
因加入溶剂而呈现液晶态的物质称为溶致液晶。溶致液晶生成的例子，最常见的有肥皂水、洗衣粉溶液等表面活化剂溶液，还有多肽、核酸及病毒等天然高分子的溶液。溶致液晶不同于热致液晶，它们广泛存在于自然界、生物体内，并被不知不觉地应用于人类生活的各个领域，如肥皂洗涤剂、生物化学、仿生学等领域。神经、血液、生物膜等生命物质，以及新陈代谢、消化吸收、知觉、信息传递等生命现象，都与溶致液晶态物质有关。如果说，热致液晶的研究应用丰富和改变着我们的生活，那么，在一定程度上说，溶致液晶的科学研究，将有可能加深并拓展我们对生命的认知。
科学探索
除了热致液晶和溶致液晶两大类液晶物质之外，人们还发现了在外力场（压力、流动场、电场、磁场和光场等）作用下形成的液晶。例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈现液晶态，属于流致型液晶。
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由于液晶分子的有序排列给溶液带来某种晶体的特性，例如光学的异向性，电学的异向性，亲合力的异向性。肥皂泡表面的彩虹及洗涤作用就是光学异向性的体现。下图是肥皂泡（溶致液晶的一种）的示意图。分子规则排列，层间为水分子。
液晶显示器的构成
液晶显示器（LCD）最基本的显示组件是液晶材料。液晶面板是两片精致的无钠玻璃中间夹着一层液晶，两片玻璃中间还有许多垂直和水平的细小电线，用于控制液晶分子改变方向。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。如下图所示的液晶与薄膜晶体管TFT（Thin Film Transistor）的组成。
显示用液晶材料通常由10种左右的分子组成，通过混合多种材料，可以得到单种液晶得不到的功能与性质，如加宽液晶的温度带、降低黏度使响应速度加快、获得合适的光学各向异性等。
科学探索
一次意外的发现开辟了液晶显示时代。液晶被奥地利植物学家莱尼茨尔发现已经有一百多年的历史了。然而在沉寂了半个多世纪之后，液晶在显示方面的应用才借一个很偶然的机会被发现。1961年，美国RCA公司的一位年轻学者为了研究外部电场对晶体内部电场的作用，他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的液晶。当在液晶层的两面施以电压时，液晶层就由红色变成了透明态。从电子学毕业的他意识到这一现象可以用来制造显示设备，他与同事立即开始了夜以继日的研究。他们相继发现了液晶的其他特性，并研制成功一系列数字、字符的显示器件。RCA公司也意识到液晶的重要价值，便对这一技术严格保密，直到1968年才对世界公布。
日本的科研机构和企业敏锐地察觉到这一技术广泛的应用前景，1971年，第一台成型的液晶显示器诞生。随后，液晶显示设备迅速走向普及化。1973年，精工爱普生总裁山崎淑夫经过4年的苦心钻研，开发出世界上第一块液晶显示式数字石英手表“精工石英06LC”，成了引领时代的创举，也成为液晶成功应用的里程碑。进入上世纪80年代，液晶显示技术开始慢慢应用到计算机领域。1997年，日本第三代液晶面板生产线成熟，液晶显示器逐渐为业界和消费者所接受。随后，液晶显示器制造的步伐越来越快。目前，无论是在画面效果、使用寿命还是结构轻巧等许多方面，液晶显示器都超过了传统CRT显示器，成为人们的新宠。
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显示器是人与机器沟通的重要界面，目前液晶（LCD）显示器逐渐取代传统显示器（CRT）的主流地位。那么，液晶显示器与传统显示器相比，有什么优点呢？1.被动显示型，无眩光，不刺激人眼，不易引起眼睛疲劳；2.无电磁辐射，对人体安全；3.平板型结构，轻薄小巧；4.低压微功耗，耗电量小；5.显示信息量大，因为像素可以做得很小；6.寿命长，这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长；7.画面效果好；8.应用范围广。
在当今科技时代，液晶显示装置已成为传递信息压倒一切的工具，几乎每个人在其生活中都与这样或那样的液晶装置打交道，手机、手表、袖珍计算器、音响设备、汽车上的车速表或钟表，以及家中的电器基本上都带有液晶显示。
液晶的其他用途
液晶不仅可用于显示，还可用于制作超高强度纤维。著名的Kevlar（芳纶）纤维即是这类纤维的典型代表，它具有抗冲击、耐热、不燃烧、不导电、轻质等优点，可用于制造防弹衣、航天飞机、宇宙飞船、人造卫星、船舶、火箭和导弹等，成为军事、航空、航海等多个领域的新宠。
有的液晶对入射光有很强的偏振作用，能显示出漂亮的色彩，而且色彩会由于温度的微小变化和某些痕量元素的存在而变化。液晶的这种特性已被成功地应用于测定精密温度和对痕量药品的检测。最简单的例子是根据变色原理制成的温度计（鱼缸中常看到的温度计）。在医疗上，皮肤癌和乳腺癌的侦测也可在可疑部位涂上液晶，然后与正常皮肤显色比对（因为癌细胞代谢速度比一般细胞快，所以温度会比一般细胞高些）。液晶使检测精度和效率得到提升，对推动生命科学和医学科学的进步，发挥着重要的作用。
此外，由于液晶具有对微波透明，极小的线膨胀系数，突出的耐热性，很高的尺寸精度和尺寸稳定性，优异的耐辐射、耐气候老化、耐化学腐蚀性，阻燃，因而可用于微波炉具、纤维光缆的被覆、仪器仪表、汽车及机械化工设备等。作为功能材料，液晶具有光、电、磁及分离等功能，可用于记录、存储和气液分离材料等。这些应用，日益丰富和改善着我们的生活。
科学探索
Kevlar是一种高强高模的溶致液晶高分子材料，美国洛克希德飞机公司的三星式喷气式客机每架使用了1吨以上的Kevlar-49纤维。波音767型飞机每架使用了3吨Kevlar-49与石墨纤维混杂的复合材料，使机身减重1吨左右，与波音727型相比，燃料消耗节省30%。Kevlar纤维防弹性能好，在重量轻一半的条件下其防弹能力是钢的5倍。中国研制成功的芳纶软式防弹背心可有效防护30米处的五四式手枪子弹和200米处步枪子弹的杀伤。Kevlar还被用作阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳带、直升飞机吊绳、抛锚绳、海底电视电缆等。Kevlar系船缆绳用在液化石油汽船上，不会像钢丝一样可能引起火花，有助于避免火灾和爆炸。
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液晶不仅为各种应用提供了无穷无尽的可能，而且其奇特的性质多年来一直是科学家关注的焦点。1991年度诺贝尔物理学奖授予《液晶物理》一书的作者法国科学家P．G德格尼斯教授，正是表彰他在液晶研究方面的贡献。
液晶作为化学、物理学、生命科学、材料科学、信息科学和环境科学等多学科交叉的一门边缘学科，正成为一个十分活跃的研究领域，它对当代科学技术的发展，对工业、国防和人民生活的贡献显示出越来越重要的作用。
（编辑 孙世奇）
物质的第四状态——液晶
中学物理和日常经验告诉我们，物质在自然界中通常以固、液和气三种相态形式存在。当外界条件（如压力或温度）发生变化时，物质可以在三种相态之间进行转换，即发生所谓的相变。然而，科学研究发现，“固、液、气”三态，决非物质状态的全部。
绝大多数物质发生相变时，都是直接从一种相态转变为另一种相态，中间没有过渡态生成。例如，固态的冰受热后，从分子呈有序排列的晶体，直接转变成分子呈无序状态的液态水。但奇怪的是，有一些物质，当受热熔融或被溶解时，它们却不是直接从固态变为各向同性的液态，而是要经过一个所谓的“中间状态”。这个中间状态，外观看似浑浊的液体，可以流动，但其光学性质和某些电学性质，却又和晶体相似，也就是说，具有晶体的某些特性。如果温度再升高，浑浊的液体才会变成澄清、同性的液体。反过来，这类物质从液体转变成固体时，也要经过中间状态。这种在一定温度范围内兼有液体流动性和晶体有序性的物质，就叫做液晶，被称为物质的第四态。
我们知道，结构决定性质，性质决定用途。液晶独特的结构，决定了其特异的性能和独特的用途。当光线穿过液晶时，液晶特异而迷人的光学性能，就表现了出来。由于棒状分子的缘故，光沿着与棒状分子平行的方向和沿着与棒状分子垂直的方向通过时的速度不同，因此液晶有双折射性。换句话说，就是要用两个折射率来描述这种异常行为。如果在两正交偏振片之间放入一般的液体，什么变化也没有，因为一般液体不影响光的偏振，所以穿过第一块偏振片的偏振光仍被第二块偏振片吸收。但是，若放入液晶，其结果就大不相同，即有亮光出现。这就是说，放入液晶后，偏振光的偏振方向发生了某种旋转，因而能够从第二块偏振片上射出。此外，液晶还能在电磁场中整齐排列。人们正是利用液晶的双折射性以及棒状分子沿电场方向整齐排列的性质，设计制作出了多种液晶显示设备。
科学探索
1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔，发现了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点。把它的固态晶体加热到145℃时，产生了带有光彩的液体，而且浑浊不透明（一切纯净物熔化时应该是透明的）。如果继续加热到175℃时，它再次熔化，光彩消失，液体清澈透明。此澄清液体稍微冷却，混浊又复出现，瞬间呈现彩色。
莱尼茨尔反复确定他的发现后，向德国物理学家莱曼请教。当时莱曼建造了一台具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶过程，后来又加上了偏光镜。从那时开始，莱曼的精力完全集中在这类物质上。他最初称这类物质为软晶体，后来改称晶态流体，最后深信偏振光性质是结晶特有，又改称“液晶”。这类物质好比是既不像马，又不像驴的骡子，当时有人称这类物质为有机界的骡子。莱尼茨尔和莱曼后来被誉为液晶之父。
趣味链接
液晶是一种具有特定分子结构的有机化合物凝聚体，分子形状大多为棒状或圆盘状。如下图，原子们“拉起手”来构成棒状或圆盘状液晶分子。
液晶的种类
目前已有75000多种液晶物质。液晶的分类方法有多种，按液晶形成的条件，可分为热致液晶和溶致液晶两大类。
通过加热而呈现液晶态的物质称为热致液晶，多数液晶是热致液晶。目前用于显示材料的基本上都属于热致液晶。
因加入溶剂而呈现液晶态的物质称为溶致液晶。溶致液晶生成的例子，最常见的有肥皂水、洗衣粉溶液等表面活化剂溶液，还有多肽、核酸及病毒等天然高分子的溶液。溶致液晶不同于热致液晶，它们广泛存在于自然界、生物体内，并被不知不觉地应用于人类生活的各个领域，如肥皂洗涤剂、生物化学、仿生学等领域。神经、血液、生物膜等生命物质，以及新陈代谢、消化吸收、知觉、信息传递等生命现象，都与溶致液晶态物质有关。如果说，热致液晶的研究应用丰富和改变着我们的生活，那么，在一定程度上说，溶致液晶的科学研究，将有可能加深并拓展我们对生命的认知。
科学探索
除了热致液晶和溶致液晶两大类液晶物质之外，人们还发现了在外力场（压力、流动场、电场、磁场和光场等）作用下形成的液晶。例如聚乙烯在某一压力下可出现液晶态，是一种压致型液晶。聚对苯二甲酰对氨基苯甲酰肼在施加流动场后可呈现液晶态，属于流致型液晶。
趣味链接
由于液晶分子的有序排列给溶液带来某种晶体的特性，例如光学的异向性，电学的异向性，亲合力的异向性。肥皂泡表面的彩虹及洗涤作用就是光学异向性的体现。下图是肥皂泡（溶致液晶的一种）的示意图。分子规则排列，层间为水分子。
液晶显示器的构成
液晶显示器（LCD）最基本的显示组件是液晶材料。液晶面板是两片精致的无钠玻璃中间夹着一层液晶，两片玻璃中间还有许多垂直和水平的细小电线，用于控制液晶分子改变方向。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。如下图所示的液晶与薄膜晶体管TFT（Thin Film Transistor）的组成。
显示用液晶材料通常由10种左右的分子组成，通过混合多种材料，可以得到单种液晶得不到的功能与性质，如加宽液晶的温度带、降低黏度使响应速度加快、获得合适的光学各向异性等。
科学探索
一次意外的发现开辟了液晶显示时代。液晶被奥地利植物学家莱尼茨尔发现已经有一百多年的历史了。然而在沉寂了半个多世纪之后，液晶在显示方面的应用才借一个很偶然的机会被发现。1961年，美国RCA公司的一位年轻学者为了研究外部电场对晶体内部电场的作用，他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的液晶。当在液晶层的两面施以电压时，液晶层就由红色变成了透明态。从电子学毕业的他意识到这一现象可以用来制造显示设备，他与同事立即开始了夜以继日的研究。他们相继发现了液晶的其他特性，并研制成功一系列数字、字符的显示器件。RCA公司也意识到液晶的重要价值，便对这一技术严格保密，直到1968年才对世界公布。
日本的科研机构和企业敏锐地察觉到这一技术广泛的应用前景，1971年，第一台成型的液晶显示器诞生。随后，液晶显示设备迅速走向普及化。1973年，精工爱普生总裁山崎淑夫经过4年的苦心钻研，开发出世界上第一块液晶显示式数字石英手表“精工石英06LC”，成了引领时代的创举，也成为液晶成功应用的里程碑。进入上世纪80年代，液晶显示技术开始慢慢应用到计算机领域。1997年，日本第三代液晶面板生产线成熟，液晶显示器逐渐为业界和消费者所接受。随后，液晶显示器制造的步伐越来越快。目前，无论是在画面效果、使用寿命还是结构轻巧等许多方面，液晶显示器都超过了传统CRT显示器，成为人们的新宠。
趣味链接
显示器是人与机器沟通的重要界面，目前液晶（LCD）显示器逐渐取代传统显示器（CRT）的主流地位。那么，液晶显示器与传统显示器相比，有什么优点呢？1.被动显示型，无眩光，不刺激人眼，不易引起眼睛疲劳；2.无电磁辐射，对人体安全；3.平板型结构，轻薄小巧；4.低压微功耗，耗电量小；5.显示信息量大，因为像素可以做得很小；6.寿命长，这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长；7.画面效果好；8.应用范围广。
在当今科技时代，液晶显示装置已成为传递信息压倒一切的工具，几乎每个人在其生活中都与这样或那样的液晶装置打交道，手机、手表、袖珍计算器、音响设备、汽车上的车速表或钟表，以及家中的电器基本上都带有液晶显示。
液晶的其他用途
液晶不仅可用于显示，还可用于制作超高强度纤维。著名的Kevlar（芳纶）纤维即是这类纤维的典型代表，它具有抗冲击、耐热、不燃烧、不导电、轻质等优点，可用于制造防弹衣、航天飞机、宇宙飞船、人造卫星、船舶、火箭和导弹等，成为军事、航空、航海等多个领域的新宠。
有的液晶对入射光有很强的偏振作用，能显示出漂亮的色彩，而且色彩会由于温度的微小变化和某些痕量元素的存在而变化。液晶的这种特性已被成功地应用于测定精密温度和对痕量药品的检测。最简单的例子是根据变色原理制成的温度计（鱼缸中常看到的温度计）。在医疗上，皮肤癌和乳腺癌的侦测也可在可疑部位涂上液晶，然后与正常皮肤显色比对（因为癌细胞代谢速度比一般细胞快，所以温度会比一般细胞高些）。液晶使检测精度和效率得到提升，对推动生命科学和医学科学的进步，发挥着重要的作用。
此外，由于液晶具有对微波透明，极小的线膨胀系数，突出的耐热性，很高的尺寸精度和尺寸稳定性，优异的耐辐射、耐气候老化、耐化学腐蚀性，阻燃，因而可用于微波炉具、纤维光缆的被覆、仪器仪表、汽车及机械化工设备等。作为功能材料，液晶具有光、电、磁及分离等功能，可用于记录、存储和气液分离材料等。这些应用，日益丰富和改善着我们的生活。
科学探索
Kevlar是一种高强高模的溶致液晶高分子材料，美国洛克希德飞机公司的三星式喷气式客机每架使用了1吨以上的Kevlar-49纤维。波音767型飞机每架使用了3吨Kevlar-49与石墨纤维混杂的复合材料，使机身减重1吨左右，与波音727型相比，燃料消耗节省30%。Kevlar纤维防弹性能好，在重量轻一半的条件下其防弹能力是钢的5倍。中国研制成功的芳纶软式防弹背心可有效防护30米处的五四式手枪子弹和200米处步枪子弹的杀伤。Kevlar还被用作阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳带、直升飞机吊绳、抛锚绳、海底电视电缆等。Kevlar系船缆绳用在液化石油汽船上，不会像钢丝一样可能引起火花，有助于避免火灾和爆炸。
趣味链接
液晶不仅为各种应用提供了无穷无尽的可能，而且其奇特的性质多年来一直是科学家关注的焦点。1991年度诺贝尔物理学奖授予《液晶物理》一书的作者法国科学家P．G德格尼斯教授，正是表彰他在液晶研究方面的贡献。
液晶作为化学、物理学、生命科学、材料科学、信息科学和环境科学等多学科交叉的一门边缘学科，正成为一个十分活跃的研究领域，它对当代科学技术的发展，对工业、国防和人民生活的贡献显示出越来越重要的作用。
（编辑 孙世奇）