手性液晶材料的研究进展

手性液晶材料的研究进展

龚浩天051002207

摘要：介绍了手性液晶的发展过程，阐述了手性液晶的结构、分类与应用研究的现状，着重

讨论了手性液晶结构及性能的关系并在显示用液晶材料中的重要作用及应用，并对手性液晶的

发展前景做了展望。

关键词：手性添加剂；分子间氢键手性液晶；手性液晶聚合物；手性液晶弹性体

1 引言

手性液晶高分子是指带有手性中心的液晶高分子，是目前液晶研究领域的热点之一。手性液晶高分子的特征是液晶基元分子结构中含有不对称手性中心的碳原子(常以“C*”表示)，分子本身不具有镜像对称性。这类液晶的分子因手性中心的存在而形成螺旋结构，这些螺旋结构使手性液晶高分子具有许多一般液晶高分子所不具有的光学性质，如旋光性、偏振光的选择反射和圆二色性等。手性液晶高分子的液晶类型一般为胆甾相或近晶相。这类液晶因其独特的光学、电学性质而日益受到广泛的重视[34~43]。

早在1922年，法国化学家Friedel就发现了光学活性物质可以诱导向列相液晶转变为胆甾相液晶。而胆甾醇的酯类衍生物是最早出现的手性液晶，被作为手性添加剂在向列相液晶显示材料中使用。直到2O世纪70年代中期，新的手性添加剂(CB15)才被英国Hul大学Gray等合成出来。就在同一时期，德国Meyer等研究并报道了手性液晶具有铁电性能。此后，国内外学者对于含有手性基团的小分子液晶化合物的研究兴趣日益活跃起来，目前已经合成了许多具有胆甾相(Ch)或手性近晶c相(Sc*)的液晶化合物，并对它们的性能及应用进行了深入研究。而对手性液晶高分子及手性液晶弹性体的研究就是在此背景下开始的具有优良的电学及光学特性的小分子手性液晶化合物经过高分子化后，将为手性液晶材料开创一个更广阔的应用空间。

2 液晶的结构

研究发现液晶类物质具有其特有的分子结构。一般认为要呈现液晶相，该化合物的分子结构必须满足下述要求：

(1) 从几何形状来看，液晶分子应具有明显的各向相异性。液晶分子的几何形状应是各向相异的，分子的长径比(L/D)必须大于4。

(2) 液晶分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性。因而常在分子的中央部分引进双键或三键，形成共轭体系，以得到刚性的线型结构或者使分子保持反式构型，以获得线状结构。

(3) 分子末端含有较柔性的极性基团或可极化的基团。通过分子间电性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。

2.1 液晶的物理结构

液晶的物理结构主要是指组成分子在空间中的排列。液晶织构的研究也是物理结构的重要内容。在晶体学中，所谓织构是指多晶体中微晶的形状、尺寸和取向特征，常用偏光显微镜和电镜照片加以说明。不同类型的液晶可以观察到不同的织构。图1.2表示出了不同液晶相态结构的分子排列。

图1 不同类型的液晶态分子排列示意

2.2 向列型液晶

向列相是唯一没有平移有序的液晶，它是液晶中最重要的成员，得到了最广泛的应用。在向列相中，液晶分子彼此倾向于平行排列，平行排列的从优方向称为指失向。向列型液晶简称为N，它是由长径比很大的棒状分子所组成，分子质心没有长程有序性，具有类似于普通液体的流动性，分子不排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行。分子间短程相互作用微弱，属于Vander Waals引力，其自由能变化△G<<20.9千焦/摩尔。

向列相又可以分为普通向列相和群聚向列相，前者的液晶分子长轴保持平行或近于平行，具有一维有序；后者的液晶分子是长轴平行，并且成束状，接近于近晶相结构，具有狭窄的二维有序区域，但它们的织构和光学性质与近晶相有所不同。

2.3 胆甾型液晶

胆甾型液晶简称为Ch，胆甾醇经酯化或卤素取代后，呈现液晶相，称为胆甾液晶。这类液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。分子长轴平行于层平面。不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。

当不同层的分子长轴排列沿螺旋方向经过360o的变化后，又回到初始取向，这个周期性的层间距称为胆甾相液晶的螺距(P)。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态。因为胆甾相层内的分子长轴彼此也是平行取向，仅仅是从这一层到另一层时的均一择优取向旋转一个固定角度，层层叠起来，就形成螺旋排列的结构，所以在胆甾相中加入消旋向列相液晶或非液晶手性化合物，能将胆甾相转变为向列相。将适当比例的左旋、右旋胆甾相混合，

将在某一温度区间内，由于左右旋的相互抵消转变为向列相。电场、磁场亦可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。

反之，在向列相液晶中加入旋光性物质，会形成胆甾相。含不对称中心的手性向列液晶亦呈现胆甾相。这些都说明胆甾相和向列相结构的紧密关系。胆甾相液晶可以观察到油丝织构、焦锥织构、指纹织构、平板织构，另外还可观察到蓝相，这是胆甾相特有

的一种织构。

2.4 近晶型液晶

这类液晶除了沿指失向的取向有序外，还具有沿某一方向的平移有序，从而形成层状液晶。近晶型液晶简称Sm或S，它是由棒状或条状的分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列，因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但粘度很大。分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动。因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度区域内。目前已经发现至少八种近晶相(S A~S H相)和三种扭转的近晶相(S C*、S F*、S H*)，另外还有一种S I相。近晶相常见的织构有扇形、焦锥或破碎扇形、纹影、大理石状、星形、镶嵌扇形和马赛克状等。

3 液晶显示用手性添加剂

3．1 手性液晶添加剂研究状况

随着液晶显示材料的不断进步，手性液晶添加剂逐渐发展起来，并在显示用液晶材料中发挥其重要作用。按照其用途可分为三类：TN、STN—LCD用、TFT—LCD用、胆甾相液晶显示用手性添加剂。

在TN、STN和Ⅱvr液晶显示中，通常所用的液晶材料都是向列相液晶。为防止混合液晶材料发生反扭曲现象，通常要在混合液晶材料中加入一定量(一般控制在0．1％～l％)的手性添加剂，用以改善显示器件的静态特征H J。因为手性添加剂能诱导向列相转变为胆甾相或手性向列相(见图1)，所以在向列相液晶显示中有着重要的应用。

在液晶显示器件中，手性添加剂的主要作用：①在TN显示模式中，使液晶分子取向扭曲90。，并抑制向错的形成；②在STN显示模式中，实现所需的较高的扭曲角度(180～270。)；

③在反射式胆甾相液晶显示中，形成所需的短螺距P；④补偿阈值电压V

的温度相依性。

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