液晶的分類

我們依不同的分類條件可將液晶做如下圖的分類：

圖1-2 液晶分類圖

液晶態可藉由對特定物質或混合物之溫度或者濃度的改變來達 成。因此，液晶可依形成方式分為液向(溶致)型(lyotropic）或熱向(熱 致)型(thermotropic)兩大類。而液晶的巨觀(macroscopic)物理特性是個 別微觀(microscopic)分子的運動、形狀(如：棒狀、圓盤狀、香蕉狀…

等)、分子間作用力如:隅極、氫鍵、電子供受關係(electron donor acceptor interaction）、結構和分子空間排列的方式、對稱性與規則度…

等的綜合表現。

1.3.1 液晶分子的形成方式

液向型液晶

液向型液晶又稱作溶致型液晶，通常是由雙性分子(amphiphilic molecular)在特定溫度、特定溶液中(通常是水)，達一定濃度時溶液中 的微胞增加而構成具某種程度的規律性的溶液。此溶液呈現出液晶的 雙折射光學性質。此時的溶液稱為液向性液晶。事實上，在Reinitzer 發 現 液 晶 之 前 ，Planar 、 Raymann 、 Lobisch 、 Mettenheimer^[16]、 Valentin^[17]、 Virchow^[18]等人就已發現一些生物體的神經組織與脂肪 酸鈉鹽的水溶液具有這樣的性質，只不過當時並未深入探討。

在基礎研究的活躍度上，液向型要比熱向型液晶遜色許多，但是 卻很早的出現在人類生活中，主要是應用於石油工業、食品工業、清 潔劑工業與生物醫學方面。其雙性分子所呈現的不同液晶態，與溫

度、濃度的關係，文獻^[19-22]中有更深入的介紹。

熱向型液晶

熱向型液晶是因為升降溫過程中，溫度造成分子運動自由度改變 進而使分子堆積規律性的逐步消失或建立，亦即在固相與液相間仍存 在一至數個熱力學安定之中間相，因各中間相有其分子特定的堆積方 式與複折射性而能在偏光顯微鏡下形成特徵的紋理圖。

熱向型液晶相的形成過程可細分成：

1. 單變型(monotropic)液晶相：

此液晶相只在降溫過程中出現，升溫過程中不出現，或是出現另 一種液晶相。

2. 雙變型(enantiotropic)液晶相：

同一種液晶相皆出現在升溫與降溫的過程。

3. 重置型(re-entrant)液晶相：

在一般液晶的相轉移常識中，若是在升溫過程，通常是由較低溫 排列規則性較大的層列相(smectic, Sm)先出現，而後於高溫區再出現 排列規則性較小的向列相(nematic, N)，反之，若是降溫過程則是先出 現向列相而後層列相。如下圖所示：

圖 1-3 熱向型液晶相變化序列圖

1.3.2 液晶分子的形狀

在 1908 年，科學家 Vorländer^[23]提出的經驗法則：棒狀分子有利 於液晶相形成。從此液晶學進入了系統性研究，在大量的實驗數據與 理論基礎的支持下，完整地架構了直線型(calamitic, rod-like)液晶的知 識體系。事實上這位科學家並未因此滿足，Vorländer 在研究生涯中

也嘗試著突破並尋找出許多特殊形狀的非傳統液晶(unconventional liquid crystals)^[24-31]， 如:星型(star-like)、十字型(cross-like)、U 型 (U-type)、香蕉型(banana-shaped)、雙聚體型(twins)、含金屬混合物液 晶(metallomesogens)…等等。這些在當時頗具衝擊性的想法在不久後 或者後輩們的努力下逐一被實現，由此可見 Vorländer 的創意與其對 液晶學的卓越貢獻，而這些特殊液晶在近十幾年來都各自發展成液晶 學的次領域。其中必須提到的次領域是 1977 年 Chandrasekhar 與 Billard^[32]發現的盤狀液晶(disc-like liquid crystals)。在相關學者的努力

下，相當多此類型的液晶被合成與分類，相關的理論基礎也被發展得