液晶的早期发现与研究

液晶的发现通常追溯到 1888 年，奥地利植物学家赖尼泽尔（Reinitzer,F.）的实验工作。他把胆甾醇苯酸酶加热到 145.5℃时，发现晶体融成一片混浊的液体，继续加热到 178.5℃时，混浊的液体又变得清澈透明。把液体冷却，液体又从紫、橙到绿各色变化。开始时，他认为这种物质具有两个熔点，并怀疑是由某种不纯因素造成的。在同年，他把这一现象告诉德国卡斯鲁尔大学物理学家勒曼（Lehmann,O.）。勒曼是晶体光学研究的创始人，并首次把偏光显微镜用于晶体研究。在偏光显微镜下，勒曼发现，这种奇异的液体具有与晶体类似的双折射性质。他首次把这种状态的液体命名为液晶。液晶的发现本应成为诺贝尔获奖的项目，未能实现的原因之一是确定首先发明人比较困难。勒曼曾被数次提名参加诺贝尔奖候选，由于赖尼泽尔与之争夺液晶发明权而未能成功。事实上，谁先发明液晶确实难以确定。在 1887 年，第一个诺贝尔化学奖的得主，荷兰化学家范托夫 （Van′tHoff， Jacobus Henricus1852～1911）就发现了螺旋状液晶的光活性。
     他曾把这一发现写信告诉勒曼。这封信已被印在一些有关液晶的书籍上。液晶发现未获诺贝尔奖的第二个原因是，当时的一些知名学者对是否存在液晶表示怀疑。曾因建立热力学第二定律获得1920年诺贝尔化学奖的能斯脱（Nernst，Hermann Walter 1864～ 1941）就坚持认为，液晶只不过是液体与晶体的胶体体系。尽管在早期，也就是本世纪20年代以前，已经用各种方法合成出300多种以上的液晶，不少人为液晶的生存权向权威人士努力抗争，例如弗里德尔（G.Fritdel）曾在20年代以200页左右的论文详细地论证了液晶与液体、晶体的区别，并把液晶分为层状相、丝状相和螺旋相三大类，然而在当时，许多物理学与化学工作者的兴奋点转向了繁荣兴起的量子力学，液晶研究已被量子力学成功的浪潮所淹没。1933年，法拉第学会召开的研讨会上，液晶首次得到正式承认。在这次会议上，弗里德里克兹（Freedericksz）报告了磁场对液晶分子排列的转变效应。从30到60年代的30多年间，关于液晶形成了两大理论体系。一是宏观的连续体理论，该理论利用质心速度和分子平均单位取向矢量——指向矢——描述液晶长棒状分子的运动。1961年和1968 年，J.埃里克森和F.M莱斯利分别建立了向列相和胆甾相的流体动力学非线性方程。该理论表明，向列相和胆甾相具有五个粘滞系数，质心运动与分子转动互有影响。胆甾相的运动与温度有关，它的流体力学方程已被实验所证实。另一个理论为液晶的微观理论，它的建立经历了一段很长的曲折过程。
     液晶发现后，曾吸引玻恩、德布罗意、玻色等一些著名物理学家投身到这一领域研究。早期液晶的微观理论，称为分子群落学说，它就是由玻色所倡导，后经洛仑兹的学生奥恩斯丁（Ornstein）与卡斯特（Kast）正式上升为理论。该学说认为，液晶是分子群落的混成体。根据丝状液晶的散射本领比普通液体强得多这一实验事实，该理论认为，普通液体的散射来自单个分子的布朗运动；而液晶的散射则来自分子群落的起伏涨落。他们根据液晶对光的散射强度，推算出散射截面的直径为0.1μm，因而每个分子群落约含有 10⁵个分子。群落间的相互作用很弱，排列杂乱无章，由于折射率不均匀而造成混浊，然而在外场作用下，极化扭转致使分子群落趋向排列整齐，而使液晶透明。这一理论在物质的分子、原子层次之上，又增添了一个“群落”的新层次。无论证实还是否定它，都将是对物理学的基础性贡献。