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1、液晶的性質(zhì)及其在生物方面的應(yīng)用郭琦、龍?jiān)啤⒂诼?、王琦摘要：本文?duì)液晶的發(fā)展史、性質(zhì)、分類和應(yīng)用進(jìn)行了綜述。著重介紹液晶的光學(xué)性質(zhì)和在生物體內(nèi)以及醫(yī)藥方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：液晶、性質(zhì)、生物、醫(yī)藥、應(yīng)用1液晶概述1.1液晶簡史我們通常把液晶的發(fā)現(xiàn)歸功于奧地利植物學(xué)家瑞尼澤爾（FriedrichReinitzer）。1888年，瑞尼澤爾在觀察與膽固醇有關(guān)的有機(jī)物的熔融行為時(shí)，提到此物質(zhì)具有兩個(gè)熔點(diǎn)。在145.5℃它溶解成一種混濁的液體，而在178.5℃時(shí)這種混濁液體便成了透明的液體。在冷卻過程中，一種藍(lán)色短暫的
2、出現(xiàn)在透明的液體變混濁時(shí)，而一種藍(lán)紫色則出現(xiàn)在混濁的液體晶化之前的瞬間。瑞尼澤爾百思不得其解，于是給德國物理學(xué)家，相變方面的專家萊曼（OttoLehmann）送去一些樣品，萊曼用他的熱臺(tái)偏光顯微鏡觀察到其流動(dòng)性類似于液體，而光學(xué)性質(zhì)又類似于固體，這些特征的結(jié)合使萊曼最終把這類物質(zhì)稱為液晶。第二次世界大戰(zhàn)后對(duì)液晶的興趣幾乎全然消失，但在1960前不久情況開始有了變化，這時(shí)由少數(shù)人對(duì)液晶進(jìn)行了全面的再次審視，希望能進(jìn)一步了解它們的分子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)以及技術(shù)應(yīng)用的可能性。人們很快知道了液晶物質(zhì)具有檢測(cè)非常小的
3、溫度變化、機(jī)械應(yīng)力、電磁輻射以及化學(xué)環(huán)境的能力，這樣通向許多可能的應(yīng)用的大門打開了。1968年美國無線電公司的兩名科學(xué)家演示了施加電壓時(shí)，液晶薄層可以從混濁態(tài)切換到透明態(tài)，這是第一個(gè)液晶顯示器（LCD），隨后液晶又被用作探測(cè)某些物質(zhì)的溶劑或介質(zhì)，這一陣的活動(dòng)產(chǎn)生的液晶顯示器，廣泛的應(yīng)用于手表、計(jì)算器、時(shí)鐘、個(gè)人計(jì)算機(jī)、袖珍電視、汽車儀表盤以及能夠從透明變成不透明的窗戶中。其他應(yīng)用包括液晶溫度計(jì)以及熱敏薄膜、高強(qiáng)度液晶聚合物以及用于油回收工藝的表面活性劑。我們對(duì)液晶相理解的進(jìn)展還有助于我們對(duì)細(xì)胞膜以及某些
4、疾病如鐮刀性細(xì)胞貧血癥和動(dòng)脈硬化的了[1]圖1解。1.2液晶的定義和性質(zhì)液晶，顧名思義，是一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的物相，又稱為介晶相。它具有長程有序短程無序的特性。液晶最基本的、區(qū)別于固態(tài)的性質(zhì)是流動(dòng)性，但液晶又與液體有顯著的不同——液晶是渾濁的。我們知道晶體是具有位置有序性的，即晶體的分子只能在所占據(jù)的一定位置上振動(dòng)。此外，在這些特定位置上，分子還受到制約，使得它們彼此間還有一定的取向。因此我們說固相還有取向有序性。當(dāng)固體熔化成液體時(shí)，這兩種有序性完全喪失，分子可以隨意的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)?？墒钱?dāng)固體熔融成液
5、晶時(shí)，可能失去了其位置有序性而保留了某些取向有序性。在液晶中，分子以和在液體中大體相同的方式自由的來回運(yùn)動(dòng)，所以液晶具有流動(dòng)性。但是當(dāng)它們這樣做時(shí)，仍傾向于保持某個(gè)確定的取向，這個(gè)取向有序性并不像固體中那樣嚴(yán)格和完美，事實(shí)上液晶中的分子沿著取向方向的時(shí)間只比其他一些方向稍微多一點(diǎn)。這種對(duì)取向[1]有序性的部分保留導(dǎo)致了它具有特殊的光學(xué)性質(zhì)，典型的有雙折射、旋光性和選擇反射性。雙折射：當(dāng)一束具有x偏振和y偏振的光入射到一種雙折射物質(zhì)的表面時(shí)，光束分成兩種偏振組，相互成直角振動(dòng)，并以不同的速度進(jìn)行。這些組分
6、具有不同的折射角，并且是平行的。如圖2。圖2旋光性：膽甾型液晶具有獨(dú)特的旋光性，這就是具有改變偏振光振動(dòng)方向的能力。旋光性是由層狀結(jié)構(gòu)引起[2]的。如圖3。選擇反射性：如果具有各種不同波長的光入射到膽甾型液晶上，其中大部分光將以某種旋光性而透射過去---除了那些在液晶中波長等于螺距（膽甾型液晶相鄰兩層平面的取向方向改變一固定的角度，形成一種螺旋狀結(jié)構(gòu)，分子排列方向相同的兩層之間的距離稱為螺距，圖3如圖）的光，這個(gè)現(xiàn)象叫做選擇反射。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)波長的光被反射。如果這個(gè)波長落在可見光范圍，光就將呈現(xiàn)一種特定
7、的顏色。由于這個(gè)原因膽甾型液晶在反射中常常顯示出來明亮的色彩，該色彩完全[1]由液晶的螺距決定。圖4電子顯微鏡下的液晶結(jié)構(gòu)1.3液晶的分類依據(jù)液晶的形成方式，可將液晶分為熱致液晶和溶致液晶。把某種物質(zhì)加熱、冷卻的得到的液晶叫做熱致液晶；把某種物質(zhì)中加入溶劑使其溶解得到的液晶叫做溶致液晶。熱致液晶的組成只有一種物質(zhì)，大部分是有機(jī)物，在高溫時(shí)是各向同性的液體，低溫時(shí)是各向異性[2]的固體。溶致液晶至少要有兩種物質(zhì)組成，其中之一是溶劑。它廣泛存在于自然界特別是生物體組織內(nèi)，所以在生物化學(xué)和生物物理學(xué)仿生學(xué)等領(lǐng)
8、域十分引人注目。可以說多數(shù)生物體組織例如腦、神經(jīng)、肌肉、血液等于生命現(xiàn)象關(guān)系密切的主要組織就是由溶致液晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。生物體中的知覺作用和信息傳遞、新陳代謝等生命現(xiàn)象與液晶結(jié)構(gòu)可能也關(guān)系密切。[3]根據(jù)分子排列的有序性，液晶相分為三種：向列相（有序性最差），僅有沿分子長軸的取向有序；近晶相，除沿分子長軸的取向有序外，還有一個(gè)沿某一方向的平移有序；膽甾相，有序性最高。近晶型液晶結(jié)構(gòu)：在近晶型液晶中棒狀分子形成層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)分子都垂直于層面，或于
