"液晶”也有生命的

"液晶”也有生命的
　　液晶就像有生命的物体，在一定的温度范围内才能表现出活力四射的光电特性。科学家发现，从自然界到人造工业，高分子液晶聚合物有广阔的应用前景。甚至连生命系统，也离不开液晶的身影。
　　奥地利布拉格植物生理研究所。生物学家赖因策正在加热一种叫做安息香酸胆石醇的化合物。忽然他对试管中的变化产生了兴趣：这种化合物在加热到154℃时并不是完全溶解，而是变成了白色混浊物；在继续加热到179℃时，该物质才变成透明液体。他又对该化合物的降温过程进行了观察，发现温度降至179℃以下时同样也出现了白色混浊状态，并在154℃以下时变为固体。“这种化合物就像有生命一样。”赖因策在1888年的实验报告里写道。
　　赖因策没有像其他人那样将这种两个温度之间的混浊现象简单看作是材料不纯造成的，而是更精心地制备材料进行探究。随后不久，赖因策将样品附上一封长信寄给了德国的结晶学家雷曼。雷曼经过系统的研究，发现有许多有机化合物都具有同样的性质。这些化合物在混浊状态时与液体相似，具有流动性，同时保持了晶体的结构有序性和光学特性，于是他给这类物质状态取名为液晶（Liquid Crystal）。
　　天生的光电材料
　　液晶更多的秘密在1961年被发现。当时美国RCA公司普林斯顿试验室的年轻学者海默尔要研究外部电场对晶体内部电场的作用。他想到了液晶材料，将两片透明导电玻璃之间夹上红色的液晶材料。当在玻璃夹层的两面施以几伏电压时，液晶层就由红色变成了透明状。海默尔立刻意识到，液晶材料在电场下可能会发生光学的折射效应，这可能使其成为一种良好的显像材料。
　　海默尔的实验装置已经初具液晶显示屏的雏形。他利用液晶的电光效应，在两片平行的玻璃当中装入液晶材料，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，通过通、断电产生或消除电场，从而改变杆状晶态分子的方向，背光板发出的光线经过液晶而折射出不同的影像，最终组合产生画面。
　　早期的液晶显示屏只能显示两种颜色。这种液晶显示屏至今仍能在电子手表、计算器和电子记分牌上看到。随着技术的不断进步，超扭曲向列液晶显示器（STN-LCD），双层超扭曲向列液晶显示器（DSTN-LCD）等显示屏被相继研制开发出来。它们显示图像的原理都相同，只是液晶分子的扭曲角度不同。
　　最后出现的薄膜晶体管型液晶显示器（TFT-LCD）较为特殊，它的每一个液晶像素点均由三个单元格（分别透过红，绿，蓝三种颜色）构成，并由集成在其后的薄膜晶体管来控制每个像素点的开和关。因为每个像素点都相对独立，并可以连续控制，因此具有反应速度快, 对比度好、可视角度大等特点。目前笔记本电脑屏幕、液晶电视等产品多数属于这种显示屏。
　　液晶显示器有其突出的特点——轻、薄。它越来越多地被像画一样挂在电梯和地铁。液晶显示器的轻薄化也使得相关产业产品的轻薄化成为可能：2008年1月，苹果推出了一款号称世界上最薄的笔记本电脑，最厚处为19.3毫米，最薄处只有4毫米。这其中，超薄液晶屏功不可没。
　　从液晶到显示器
　　要造一部液晶显示器，需要向两块经过特殊处理的玻璃组件中灌入液晶，并在后面安装相应的驱动电路单元和其他附件。这一过程包含上玻璃基板加工、下玻璃基板加工、取向排列，单元装配和模块组装等工序。
　　在下玻璃基板的加工中，最核心的工序是制作将来可以控制液晶像素显像的薄膜晶体管阵列。这道工序采用了被广泛运用于集成电路的制备的光刻技术。光刻技术的原理类似于洗印相片，通过曝光和选择腐蚀等工序将掩膜版上设计好的图形转移到衬底的玻璃基板上。
　　上玻璃基板的制造中，加工出彩色的滤色膜最为重要。首先要通过相应的图形转移工艺加工出阻止光反射的黑点矩阵，之后用类似方法加工出红、绿、蓝三种滤光器。最后在滤光器层上敷上一层半导体透明导电膜，以便与下基板玻璃上的半导体材料对应形成电极层。
　　取向排列工艺是整个制造工艺中的关键工序之一。液晶显示器的工作原理要求上下两块玻璃基板内表面的液晶分子的排列方向正交呈90度，因此，需要对两块玻璃基板的表面加工出定向层。目前主要采取的方法是摩擦法，即在玻璃基板表面涂上取向剂，用绒布等材料向一个方向进行摩擦，最终形成取向层。
　　两块玻璃基板在贴合封装之前，要在内侧喷潵衬垫，使其表面均匀散布一定颗粒直径的玻璃或塑料微粒，从而保持贴合后两块玻璃基板之间的平行与稳固。最后将两块基板玻璃在对位贴合机上贴合，再经过热压使密封胶固化，便制成了空的液晶盒。
　　制备好的空液晶盒可以按需求而被切割成不同尺寸的液晶面板。生产的液晶基板越大，能切割出的液晶面板越多，单位面积所需的资本投入越小，资本效益也就越好。在经济利益的驱动下，大尺寸的基板生产工艺不断被研发和投入使用。如第四代的基板尺寸为680mm×880mm，可切割成6片15英寸面板，第五代的基板尺寸为1100×1250mm，就能切割12片 17英寸面板。目前的第七代技术，其玻璃基板的面积约为1870×2200毫米。
　　神通广大的高分子液晶
　　如果你以为液晶仅仅是用来做显示器的话，那么你可就错了。液晶显示器等光电学上采用的液晶材料往往是小分子液晶，而通过熔融缩聚等工艺研制出的高分子液晶聚合物，则有着更为广阔的应用前景。
　　高分子液晶是科学家们心目中的硅的理想替代物。过去，许多微观研发工作都是在硅材料的基础上进行的。而越来越多的科学家认为，高分子液晶聚合物的柔韧性比硅好。对液晶聚合体进行精细剪裁加工后，加工出的样品对温度变化、紫外线照射等特定的外界刺激有相应的反应，也比硅的敏感程度高。而且液晶聚合物的制造成本比硅材料更低，加工工艺也更加简单。
　　相比起硅制的假肢，“人造肌肉”更显神奇。20世纪80年代，科学家们发现，在电流的作用下，高分子液晶材料的分子可以发生形变和扭曲，进而使材料本身产生收缩和弯曲——这非常类似于人类的肌肉，于是科学家们开始研究如何利用高分子液晶材料构造“人造肌肉”。传统的机器人除了关节之外，四肢不能自由活动，如果有了“人造肌肉”，则他们的四肢会更加灵活且发达。
　　从某种程度来说，高分子液晶的生物学意义更显重大：事实上，大多数生物体的组织,如脑、神经、肌肉、血液等，都是由大分子液晶构成的。随着科学技术的发展,人们将逐渐掌握蛋白质、核酸、酶和类脂化合物的组成，了解生物体活动中使这些大分子发生结构相变的环境，即形成液晶的环境,从而合成或“加工”出各种生物体组织，得到各种人造器官、人造血液等。另一方面，人们也能以细胞为蓝本设计出具有自检测、自判断和自指令的新型“智能”材料，并应用于人类生命活动中。正如英国著名生物学家和科学史专家李约瑟在1950年的大胆断言：“生命系统实际上就是液晶。”