液晶织构向错的创新探究

本文作者：柏鉴玲 杨 平 关 琳 李 同 单位：北京科技大学

材料科学基础为国家精品课程，近期被列为研究型教学示范课程建设内容。因历史的缘故及优势学科特色等原因，近60年来，材料科学基础（原为金属学原理）理论课及实验课都以金属材料为主。近6年来，理论课逐步涉及金属以外的聚合物、液晶、无机非金属材料等，但相关的40学时实验课程仍是单一的金属材料组织观察及分析。为锻炼学生的综合能力，巩固课程上介绍较少的金属以外材料的知识，课外兴趣小组选择了液晶进行实验分析，并希望与金属中的相关概念进行对比，锻炼举一反三的能力。液晶是新型的功能材料，热致液晶主要用于显示材料，而溶致液晶可用于制作防弹背心等。自1888年奥地利植物学家FriedrichReinitzer在加热胆甾醇苯甲酸时发现热致液晶，1890年德国物理学家OttoLehmann利用自己安装的有Retail的偏光显微镜确定了液晶的特性并命名为液晶（LiquidCrystal），以及法国晶体学家GeorgeFriedel于1922年将液晶分为向列相、胆甾相和近晶相后，不同领域的科学家合作开辟了材料科学的新纪元[1]。位错在金属材料的结晶、形变、再结晶、相变、扩散、界面行为中起非常重要的作用，但确定位错却比较麻烦。虽然现在已可在高分辨电镜下直接观察到位错，但常用的方法是通过透射电镜找到位错线后，通过转动样品，确定好柏氏矢量的消光条件，才能确定描述位错的重要参量b（柏氏矢量）。其它间接方法有浸蚀坑法、缀蚀法等。向错因能量太高难以在金属中存在，但在液晶中却广泛存在，并且用偏光显微镜就可容易地观察到并可确定其特征量S（当然是间接的观察）。晶体的结构一般是通过衍射技术显示出其对称特征才能确定，而液晶的结构可通过观察其织构图案确定，也可通过特殊位错或向错的存在确定。本文介绍通过液晶中的织构确定液晶类型，以及向错的观察与其特征量确定过程。此外，还对比分析讨论了金属、聚合物、液晶中的织构与线缺陷。

一、实验材料、过程及相关原理

本实验使用石家庄永生华清液晶材料有限公司生产的SLC1717向列相液晶，利用在向列相液晶里掺杂德国Merk公司生产的5811手性化合物制得胆甾相液晶。通过液晶盒的取向化处理制备了胆甾相平行取向的平面织构样品和垂直取向的指纹织构样品，利用8CB法合成了近晶A相（SmA）。使用江南光学仪器厂生产的偏光显微镜观察液晶样品，利用加热台将液晶升温到清亮点以上，再冷却获得特定的织构。液晶是一类介于晶体和非晶体之间的中间相，它既具有晶体的各向异性和双折射性质，也有液体的流动性和低粘滞性，液晶分子具有取向序但没有或只有部分位置序。这种差异造成近晶相的结构接近晶体，部分位置序造成近晶相液晶同晶体一样具有刃位错和螺位错，这为通过位错的存在唯一确定近晶相提供了依据。液晶态中分子排列是有规律的，将这种取向称为指向矢，指向矢并非都是位置的连续函数。在两个具有不同指向矢取向的区域交界处，会发生指向矢取向的突变，即在此处指向矢没有确定的方向，这就产生了液晶中的向错，即在向错处指向矢没有明确指向[5]。位错破坏晶体的平移序，向错破坏晶体的取向序。向列相只具有取向序，毫无位置序，因此向列相中只含有向错；胆甾相及近晶相中由于有部分位置序均含有向错和位错。在晶体中，用柏氏回路定出位错的特征量b（Burgersvector）；在液晶中，用Frank-Nabarro回路定出位错特征量s。s是一个标量，它表述液晶中指向矢绕着位错的旋转量和方位，用来表征向错的强度。其强度s由环绕向错线核心同时跟着指向矢场位向作回路而定出。设准（total）是按回路转动了360°的指向矢总角度，则向错强度s=准(total)/2π。如果指向矢转动方向和指向矢场转动角度相同，s为正；如果指向矢转动方向和指向矢场转动角度相反，s为负[2]。与金属中的相邻正负号位错相似，液晶中两相连向错通常也是异号的，若它们的s绝对值相同，则湮灭；若不相同，则合并成一个能量更低的向错。由参考文献[2]可知，通过织构判断液晶的基本规律是：向列相液晶主要有纹理状织构、线状织构和大理石织构（几乎无向错）；胆甾相液晶自然状态下主要呈现扇形或焦锥织构，垂直取向处理后会出现指纹织构，水平取向处理后呈现平面织构（或称油丝织构）。近晶A相自然状态下主要呈现扇形或焦锥织构，这与胆甾相较相似。在平行或垂直取向处理后则呈现伪各向同性，像大理石织构或呈暗色。这样，根据不同取向条件下的特性可将它们区别开。

二、实验结果及分析

（一）向列相（Nematicphase）鉴定及向错观察图1为向列相的纹影织构，常出现在比较薄的样品中，此时液晶分子基本平行于液晶盒表面。因这种纹理状织构是对称性最低的向列相特有的，很容易确定它是向列相。此外，可以看到图中以一点为中心散开几个“黑刷”，这是由于内部材料光轴的指向与来自起偏器的光（入射光）的偏振面垂直或平行，不能产生可以透过检偏器的光。黑刷的中心点即为向错，即是指向矢不连续的位置（称奇异点）。由于向错垂直于基板表面时向错最短，自由能最低，故在视野中以向错点的状态呈现。Nehring-Saupe液晶连续体理论还指出，向列相的s可以为±1/2,±1,±3/2,±2,±5/2等值。向错的自由能随s2上升。因此，高s值的向错是不稳定的，在试验中也通常只能观察到m=±1/2或±1的向错。虽然某些复杂的近晶相也能产生纹影织构，Nehring-Saupe理论指出，近晶相不产生强度为半整数的向错点。故若纹影织构中出现|s|=1/2，3/2，5/2的向错点，则该液晶一定是向列相液晶。图1中有两个刷子的向错，如1、2、3位置，因此对应向列相。用实验的方法定出向错特征量s，Nehring和Saupe总结出在纹影织构中每个向错强度的绝对值|s|=（刷子数目）/4。此时要定出向错强度的符号，则旋转偏振片，如果是正向错，其旋转方向与偏振片旋转方向相同，如果是负向错，则旋转方向相反，见图1。偏振片旋转一个θ角，则黑刷子旋转θ/s角。即|s|=1/2的向错点周围两个黑刷在偏光器旋转180°后回到原位，而|s|=1的向错点周围4个黑刷在偏振片旋转360°后才能回到原位。旋转物台同样可以改变样品与偏振片的相对位置。但是，黑刷随载物台旋转的角度则不再是θ/s。而是θ（s-1）/s。即若s=+1，则无论怎么旋转载物台，黑刷的位置都将保持不变[1]。黑刷影像随偏振片旋转而旋转，但在中心的向错保持不动，因此曾有人将纹影织构称为中心织构（Cen-teredtexture）。

（二）胆甾相（Cholestericphase）鉴定图2为液晶盒经平行取向处理后的胆甾相在偏光显微镜下的照片，呈现的是平面织构。它明显不同于向列相中的线状织构中弯曲很圆滑的表面向错，胆甾相在偏光下平面织构中的边界线内可以含有位错[2]，因而可确定它代表胆甾相。图3为该液晶在经垂直取向处理的液晶盒中偏光下观察到的指纹织构。通过测定指纹的宽度可以确定胆甾相的螺距，这种指纹织构是所选3种液晶中胆甾相特有的，因此可确定是胆甾相。

（三）近晶相（Smecticphase）鉴定近晶相的结构接近晶体，可以有刃位错和螺位错。图4为近晶A相自然状态下最常见的扇形织构（Fan-shapedtexture）或焦锥织构。图5为胆甾相升温到清亮点以后采取急速冷却的措施得到焦锥织构。在焦锥织构中，液晶处于一种多畴的状态。采取急速冷却的操作，让液晶分子来不及规则排列，使得在每一个畴里，螺旋结构仍然存在，但不同畴的螺旋轴在空间取向杂乱无章，不同畴的螺旋轴具有不同的指向便形成了焦锥织构。由于两种液晶都出现了扇形织构，虽然有经验的人仍可找出它们的差异，但对初学者便较困难。从第二小节可知，如果两者都经平行取向处理，则可显示出织构的差异。事实上，仔细观察图4与图5，还是可找出它们的差异。扇形织构是近晶A相常见的织构，各个畴尺寸分布较均匀，而胆甾相是经快冷得到的，组织很不平衡，畴的尺寸分布很不均匀；且扇面的弧度变化不如近晶相均匀，立体感不强。

三、讨论

液晶的发现已有100年的历史，从其发现的开始，人们就主要使用偏光显微镜下的织构特征分析表征液晶的性质。第一部液晶织构分析的专著出现在1979年。在材料科学基础课程中介绍了三种材料中的织构，一是金属中的织构，二是聚合物中的织构，三是液晶中的织构。其中金属中的织构介绍的较多，其基本含义是多晶中晶粒取向出现择优分布的现象。取向的含义是一个晶粒内晶体坐标系相对于样品坐标系的转动关系。金属中的织构不仅在形变、再结晶过程中会出现，在凝固、固态相变及薄膜外延生长中也会出现。织构的出现会显著影响材料的性能。高分子聚合物是半晶态或非晶态，在力的作用下，分子链逐渐展开并与力轴方向平行，从而产生织构。没有力的作用，就难以形成聚合物中的织构。溶致液晶也是利用这种择优织构获得与钢丝一样的高强度。（热致）液晶中的织构主要是偏光下观察到的特殊图案，就像编织物上的特殊图案一样。它实际是不同畴区组成的图案，每个畴区内分子排列没有突变，取向序基本一致。畴的边界往往含有向错，就像金属中的晶界。液晶在偏光下的图案不同，可以是相结构不同，也可以是分子取向不同。通过所谓的“取向”方法可使液晶分子按人们希望的方式排列。由于流动性好，液晶分子可通过电、极性化等方式很容易地控制，从而也造成偏光下极其丰富而多彩的图案（织构）。织构在液晶理论中也十分重要并有专门的书籍论述[3]。其实，金属中的织构从广义的角度讲也是不同晶粒的取向分布，并不需要择优分布。这样，金属中的织构也回到Texture的“编织”本意上了。

四、结语

通过液晶实验、文献调研及研讨，获得如下结果。（1）根据织构确定了液晶的类型；观察了不同类型液晶中的向错，并确定了其特征量s；预测了相互连接的两个向错合并的结果。（2）为后续学生设计、优化了一个新实验———液晶类型的织构法确定及向错的分析法。（3）对比分析了金属、聚合物、液晶中的织构概念的联系与差异、位错与向错的关系及确定方法，巩固了所学知识，培养了综合分析能力。（4）总结了著名物理学家及材料学家Frank和Nabarro在金属、液晶两类材料的位错与向错理论的贡献。