液晶

液晶（LC）は、従来の液体と固体結晶の中間の性質を持つ物質の状態です。LC相には多くの種類があり、サブユニットの分子形状、相の配置と対称性、および液晶相にアクセスする方法によって分類できます。^{[ 1 ]} LCメソフェーズにアクセスできる分子はメソゲンと呼ばれます。^{[ 2 ]}結晶固体と同様に、液晶に存在する秩序は、異方性の光学的、電気的、および磁気的特性をもたらします。結晶のような異方性と液体のような刺激応答性および流動性により、LCはディスプレイ（特に液晶ディスプレイ）、センサー、およびソフトロボティクスの用途で有用になっています。^{[ 3 ]}

液晶は、サーモトロピック、リオトロピック、メタロトロピックの3つの主要なタイプに分類できます。サーモトロピック液晶とリオトロピック液晶は主に有機分子から構成されていますが、少数の鉱物も知られています。サーモトロピック液晶は、温度変化に伴って液晶相への相転移を示します。リオトロピック液晶は、温度と溶媒（通常は水）中の分子濃度の両方の関数として相転移を示します。メタロトロピック液晶は、有機分子と無機分子の両方から構成されており、その液晶相転移は無機分子と有機分子の組成比にも依存します。

液晶の例は、自然界と技術応用の両方に存在します。リオトロピック液晶は生物系に豊富に存在し、多くのタンパク質や細胞膜、タバコモザイクウイルスなどが液晶です。^{[ 4 ]}鉱物界の液晶には、石鹸や様々な関連洗剤の溶液、一部の粘土などがあります。広く普及している液晶ディスプレイ（LCD）は液晶を使用しています。

1888年、カール・フェルディナント大学に勤務していたオーストリアの植物生理学者フリードリヒ・ライニッツァーは、現在コレステリック液晶として知られる物質群に属するコレステロールの様々な誘導体の物理化学的性質を調べた。それ以前にも、他の研究者たちはコレステロール誘導体を凝固点よりわずかに高い温度に冷却した際に独特の色の変化を観察していたが、それを新しい現象と結びつけてはいなかった。ライニッツァーは、誘導体であるコレステリルベンゾエートの色の変化が最も特異な特徴ではないことに気づいた。

彼は、コレステリルベンゾエートが他の化合物と同じようには溶けず、2つの融点を持つことを発見した。145.5 °C (293.9 °F)で濁った液体に溶け、178.5 °C (353.3 °F)で再び溶けて濁った液体が透明になる。この現象は可逆的である。物理学者の助けを求めて、1888 年 3 月 14 日、彼は当時アーヘンの私講師であったオットー・レーマンに手紙を書いた。彼らは手紙とサンプルを交換した。レーマンは中間の濁った液体を調べ、結晶が見られると報告した。ライニッツァーのウィーンの同僚であるフォン・ゼファロヴィッチも、中間の「液体」が結晶性であることを示唆した。レーマンとの手紙のやり取りは 4 月 24 日に終了したが、多くの疑問が未解決のままだった。ライニッツァーは、レーマンとフォン・ゼファロヴィッチの功績を称え、1888年5月3日にウィーン化学会の会合で自身の研究成果を発表した。^{[ 5 ]}    

その頃までに、ライニッツァーはコレステリック液晶（1904年にオットー・レーマンが命名した名称）の3つの重要な特徴、すなわち2つの融点の存在、円偏光の反射、そして光の偏光方向を回転させる能力を発見し、記述していた。

ライニッツァーは偶然の発見の後、液晶の研究をそれ以上続けなかった。研究を引き継いだのはレーマンで、彼は新しい現象に遭遇し、それを調査できる立場にあることに気づいた。博士研究員時代に結晶学と顕微鏡学の専門知識を習得していたからである。レーマンはまず安息香酸コレステリル、次に二重融解現象を示す関連化合物の系統的な研究を開始した。彼は偏光で観察することができ、彼の顕微鏡には高温観察を可能にするホットステージ（ヒーターを備えた試料ホルダー）が装備されていた。中間の濁った相は明らかに流動性を維持していたが、その他の特徴、特に顕微鏡下でのシグネチャーから、レーマンは自分が固体を扱っていると確信した。1889年8月末までに、彼はその研究結果を『物理化学雑誌』に発表した。^{[ 6 ]}

レーマンの研究は、ドイツの化学者ダニエル・フォーレンダーによって引き継がれ、大幅に拡張された。フォーレンダーは20世紀初頭から1935年に引退するまで、既知の液晶のほとんどを合成した。しかし、液晶は科学者の間では人気がなく、この物質は約80年間、純粋な科学的好奇心の対象にとどまった。^{[ 7 ]}

第二次世界大戦後、液晶の合成に関する研究はヨーロッパの大学の研究室で再開されました。液晶の著名な研究者であるジョージ・ウィリアム・グレイは、1940年代後半にイギリスでこれらの材料の研究を開始しました。彼のグループは、液晶状態を示す多くの新しい材料を合成し、その状態を示す分子を設計する方法についての理解を深めました。彼の著書『液晶の分子構造と性質』^{[ 8 ]}は、この分野のガイドブックとなりました。液晶を研究した最初の米国の化学者の1人は、1953年にシンシナティ大学で、後にケント州立大学で研究を開始したグレン・H・ブラウンです。1965年、彼はオハイオ州ケントで、世界トップクラスの液晶科学者約100人が出席する最初の国際液晶会議を組織しました。この会議は、この分野の研究を行う世界的な取り組みの始まりとなり、すぐにこれらのユニークな材料の実用的な応用の開発につながりました。^{[ 9 ] [ 10 ]}

液晶材料は、1962年にRCA研究所で始まったフラットパネル電子ディスプレイの開発において研究の焦点となった。^{[ 11 ]}物理化学者のリチャード・ウィリアムズが125 ℃のネマチック液晶の薄膜に電場を印加すると、ドメイン（現在はウィリアムズドメインとして知られている）と呼ばれる規則的なパターンが形成されるのが観察された。 ^{[ 12 ]}これにより、同僚のジョージ・H・ハイルマイヤーは、テレビで使用されている陰極線真空管に代わる液晶ベースのフラットパネルディスプレイの研究を行った。しかし、ウィリアムズとハイルマイヤーが使用したパラアゾキシアニソールは、116℃以上でのみネマチック液晶状態を示すため、市販のディスプレイ製品に使用することは実用的ではなかった。室温で動作可能な材料が明らかに必要とされていた。  

1966年、RCAのハイルマイヤー研究室の研究化学者であるジョエル・E・ゴールドマッハーとジョセフ・A・カステラーノは、末端側鎖の炭素原子の数だけが異なるネマチック化合物のみからなる混合物が、室温でネマチック液晶を生成できることを発見した。シッフ塩基 化合物の三元混合物は、22～105 ℃のネマチック範囲を持つ材料をもたらした。 ^{[ 13 ]}室温での動作により、最初の実用的なディスプレイデバイスが作られた。^{[ 14 ]}その後、研究チームは、融点がはるかに低いものを含む多数のネマチック化合物の混合物を準備した。ネマチック化合物を混合して広い動作温度範囲を得るこの技術は、最終的に業界標準となり、特定の用途に合わせて材料を調整するために今でも使用されている。

1969年、ハンス・ケラーは室温でネマチック相を持つ物質、N-(4-メトキシベンジリデン)-4-ブチルアニリン（MBBA）の合成に成功しました。これは液晶研究で最も人気のある研究対象の一つです。^{[ 15 ]}液晶ディスプレイの商業化に向けた次のステップは、ジョージ・グレイによる低融点のさらに化学的に安定な物質（シアノビフェニル）の合成でした。^{[ 16 ]} 1973年にケン・ハリソンと英国国防省（RREマルバーン）と行ったこの研究は、電子製品における小面積LCDの急速な採用につながる新素材の設計につながりました。

これらの分子は棒状で、実験室で作られたものもあれば、自然界に自発的に出現するものもある。それ以来、2つの新しいタイプのLC分子が合成された。円盤状（ 1977年にインドのSivaramakrishna Chandrasekharによって） ^{[ 17 ]}と円錐形またはボウル形（1982年に中国のLui Lamによって予測され、1985年にヨーロッパで合成された）^{[ 18 ]である。}

1991年、液晶ディスプレイがすでに確立されていた頃、パリ第11大学（パリ・サウス大学）に勤務していたピエール＝ジル・ド・ジェンヌは、「単純な系における秩序現象を研究するために開発された手法が、より複雑な形態の物質、特に液晶やポリマーにも一般化できることを発見した」功績により、ノーベル物理学賞を受賞した。^{[ 19 ]}

多数の化学化合物が、1つまたは複数の液晶相を示すことが知られています。化学組成に大きな違いがあるにもかかわらず、これらの分子は化学的および物理的特性においていくつかの共通の特徴を持っています。サーモトロピック液晶には、円盤状、円錐状（ボウル状）、および棒状の分子の3種類があります。円盤状分子は、隣接する芳香環の平らなコアからなる円盤状の分子ですが、円錐状液晶のコアは平らではなく、米びつ（3次元の物体）のような形をしています。^{[ 20 ] [ 21 ]}これにより、円盤状液晶と円錐状液晶の両方で2次元の柱状秩序が可能になります。棒状分子は、細長く異方性の形状をしており、1つの空間方向に沿って優先的に配向することができます。

• 分子の形状は、特に剛性の高い分子骨格においては、比較的薄く、平坦、または円錐形であるべきである。
• 分子の長さは少なくとも1.3  nmであるべきであり、これは多くの室温液晶に長いアルキル基が存在することと一致する。
• 円錐LCを除き、構造は分岐したり角張ったりしてはならない。
• 準安定な単変性液晶相を避けるため、融点が低い方が好ましい。一般的に低温でのメソモルフィック挙動は技術的に有用であり、アルキル末端基はこの挙動を促進する。

拡張された、構造的に剛性の高い、高度に異方性のある形状が液晶挙動の主な基準であるように思われ、その結果、多くの液晶材料はベンゼン環をベースとしている。^{[ 22 ]}

さまざまな液晶相（プラスチック結晶相とともにメソ相と呼ばれる）は、秩序の種類によって特徴付けられる。位置秩序（分子が何らかの規則的な格子状に配置されているかどうか）と配向秩序（分子がほとんど同じ方向を向いているかどうか）を区別することができる。液晶は配向秩序によって特徴付けられるが、位置秩序は部分的または完全に欠如している。対照的に、位置秩序はあるが配向秩序のない材料はプラスチック結晶として知られている。^{[ 23 ]}ほとんどのサーモトロピックLCは高温で等方相を持ち、加熱によって最終的にはランダムで等方的な分子配列と流体のような流れ挙動によって特徴付けられる従来の液体相に移行する。他の条件（たとえば低温）では、LCは流動性を保ちながら、顕著な異方性配向構造と短距離配向秩序を持つ1つ以上の相をとっている可能性がある。^{[ 24 ] [ 25 ]}

液晶の秩序化はドメイン全体のサイズまで及び、そのサイズはマイクロメートルオーダーになる場合もあるが、通常は古典的な結晶固体でよく見られるような巨視的なスケールには及ばない。しかし、境界の使用や印加電場などのいくつかの技術を用いることで、巨視的な液晶サンプルに単一の秩序化ドメインを強制することができる。^{[ 26 ]}液晶の配向秩序は1つの次元に沿ってのみ及ぶ場合があり、他の2つの方向では材料は本質的に無秩序である。^{[ 27 ] [ 28 ]}

サーモトロピック液晶

サーモトロピック相とは、特定の温度範囲で発生する相のことです。温度上昇が高すぎると、熱運動によって液晶相の繊細な協調秩序が破壊され、材料が従来の等方性液体相に移行します。温度が低すぎると、ほとんどの液晶材料は従来の結晶を形成します。^{[ 24 ] [ 25 ]}多くのサーモトロピック液晶は、温度変化に伴ってさまざまな相を示します。たとえば、特定のタイプの液晶分子（メソゲンと呼ばれる）は、温度上昇に伴ってさまざまなスメクチック相、続いてネマチック相、そして最終的に等方相を示すことがあります。サーモトロピック液晶挙動を示す化合物の例としては、パラアゾキシアニソールがあります。^{[ 29 ]}

ネマティック相

最も単純な液晶相はネマチック相である。ネマチック相では、棒状の有機分子は結晶的な位置秩序を持たないが、長軸がほぼ平行になるように自己整列する。分子は自由に流動し、重心位置は液体のようにランダムに分布するが、その配向は長距離方向秩序を形成するように制約される。^{[ 30 ]}

ネマティックという言葉は、ギリシャ語のνήμα（ネマ）に由来し、「糸」を意味します。この用語は、ネマティック相で観察される 糸状のトポロジー欠陥であるディスリネーションに由来しています。

ネマティック液晶には、いわゆる「ハリネズミ」型トポロジカル欠陥も存在する。2次元では、トポロジカル電荷が+ ⁠ 1 / 2 ⁠と- ⁠ 1 / 2 ⁠のトポロジカル欠陥が存在する。流体力学により、+ ⁠ 1 / 2 ⁠欠陥は- ⁠ 1 / 2 ⁠欠陥よりもかなり速く移動する。欠陥同士を近づけると引き合い、衝突すると消滅する。^{[ 31 ] [ 32 ]}

ほとんどのネマチック相は一軸性です。つまり、より長く優先される軸（ディレクトリックスと呼ばれる）が1つあり、他の2つは等価です（円筒または棒として近似できます）。ただし、一部の液晶は二軸性ネマチックであり、長軸の配向に加えて、二次軸にも配向します。^{[ 33 ]}ネマチック結晶は通常の（等方性）液体と同様の流動性を持ちますが、外部の磁場または電場によって容易に配向させることができます。配向したネマチックは一軸性結晶の光学特性を持ち、このため液晶ディスプレイ（LCD）で非常に有用です。^{[ 11 ]}

ネマティック相は非分子系でも知られています。高磁場では、電子が束や縞状に流れて「電子ネマティック」な物質形態を形成します。^{[ 34 ] [ 35 ]}

スメクチック相

スメクチック相はネマチック相よりも低い温度で見られ、石鹸のように互いに滑り合うことができる明確な層を形成します。「スメクチック」という言葉は、ラテン語の「smecticus」に由来し、洗浄、または石鹸のような性質を持つことを意味します。^{[ 36 ]} スメクチック相は、一方向に沿って位置的に秩序化されています。スメクチックA相では、分子は層の法線に沿って配向していますが、スメクチックC相では、分子は法線から傾いています。これらの相は、層内では液体のようなものです。さまざまなスメクチック相があり、それぞれ異なる種類と程度の位置的および配向的秩序によって特徴付けられます。^{[ 24 ] [ 25 ]}有機分子以外にも、2次元材料またはナノシートのコロイド懸濁液内でスメクチック秩序化が発生することが報告されています。^{[ 37 ] [ 38 ]}スメクチック液晶の一例として、p,p'-ジノニルアゾベンゼンが挙げられる。^{[ 39 ]}

キラル相またはツイストネマティック

キラルネマチック相はキラリティ（手前性）を示します。この相は、コレステロール誘導体で最初に観察されたため、コレステリック相と呼ばれることがよくあります。このような相はキラル分子のみで生じます。この相では、分子軸がディレクターに平行で、分子がディレクターに垂直にねじれています。隣接する分子間の有限のねじれ角は、分子の非対称なパッキングによるもので、より長距離のキラル秩序をもたらします。スメクチックC*相（アスタリスクはキラル相を示します）では、分子は層状構造で位置的に秩序化されており（他のスメクチック相と同様）、分子は層の法線に対して有限の角度で傾いています。キラリティは、ある層から次の層への有限の方位角のねじれを誘発し、分子軸が層の法線に沿って螺旋状にねじれるため、ねじれネマチックとも呼ばれます。^{[ 25 ] [ 27 ] [ 28 ]}

キラルピッチpは、LC 分子が 360° 完全にねじれる距離を指します (ただし、この相では 0° と ±180° のディレクターが等価であるため、キラルネマチック相の構造は半ピッチごとに繰り返されることに注意してください)。ピッチ p は、通常、温度が変化したり、LC ホストに他の分子が加えられたりすると変化します (非キラルな LC ホスト材料は、キラル材料をドープするとキラル相を形成します)。これにより、特定の材料のピッチをそれに応じて調整できます。一部の液晶システムでは、ピッチは可視光の波長と同じオーダーです。これにより、これらのシステムは、ブラッグ反射や低閾値レーザー発光などの独自の光学特性を示し、^{[ 40 ]}これらの特性は、多くの光学アプリケーションで利用されています。^{[ 7 ] [ 27 ]}ブラッグ反射の場合、光がらせん軸に沿って入射すると最低次の反射のみが許容されますが、斜め入射の場合は高次の反射が許容されます。コレステリック液晶は、光がらせん軸に沿って入射すると円偏光を反射し、斜めに入射すると楕円偏光を反射するという独自の特性も示します。^{[ 41 ]}

青色の段階

ブルー相は、キラルネマティック相と等方性液体相の間の温度範囲で現れる液晶相です。ブルー相は、数百ナノメートルの格子周期を持つ規則的な三次元立方体欠陥構造を持ち、そのため、立方格子に対応する可視光の波長範囲で選択的なブラッグ反射を示します。1981年に、これらの相は準結晶と同様の二十面体対称性を持つことができると理論的に予測されました。^{[ 43 ] [ 44 ]}

青色相は高速光変調器やチューナブルフォトニック結晶にとって興味深いものですが、その存在温度範囲は非常に狭く、通常は数ケルビン 未満です。最近では、室温（260～326 K）を含む60 Kを超える温度範囲で青色相を安定化できること が実証されています。^{[ 45 ] [ 46 ]室温で安定化された青色相は、 10⁻⁴}秒程度の応答時間で電気光学スイッチングを可能にします 。^{[ 47 ]} 2008年5月には、最初の青色相モードLCDパネルが開発されました。^{[ 48 ]}

青色相結晶は、可視波長域にバンドギャップを持つ周期的な立方構造であるため、3Dフォトニック結晶とみなすことができます。理想的な青色相結晶を大量に製造することは、製造される結晶が通常多結晶（板状構造）であるか、単結晶のサイズが限られている（マイクロメートル範囲）ため、依然として問題があります。最近、理想的な3Dフォトニック結晶として得られる青色相が大量に安定化され、さまざまな制御された結晶格子配向で製造されています。^{[ 49 ]}

円板状病変期

円盤状の液晶分子は、円盤状ネマチック相と呼ばれる層状に配列することができる。円盤が積み重なって配列する場合、その相は円盤状柱状相と呼ばれる。柱自体は、長方形または六角形の配列に組織化されることがある。キラルネマチック相に類似したキラル円盤状相も知られている。

円錐相

円錐状液晶分子は、円盤状液晶と同様に、柱状相を形成することができる。非極性ネマチック相、極性ネマチック相、ストリングビーン相、ドーナツ相、オニオン相などの他の相も予測されている。円錐状相は、非極性ネマチック相を除いて極性相である。^{[ 50 ]}

リオトロピック液晶

リオトロピック液晶は、特定の濃度範囲で液晶特性を示す2つ以上の成分から構成されます。リオトロピック相では、溶媒分子が化合物の周囲の空間を満たし、システムに流動性をもたらします。 ^{[ 51 ]}サーモトロピック液晶とは対照的に、これらのリオトロピック液晶は濃度に関して別の自由度を持ち、さまざまな異なる相を誘起することができます。

同一分子内に混ざり合わない親水性部分と疎水性部分を持つ化合物は、両親媒性分子と呼ばれます。多くの両親媒性分子は、親水性部分と疎水性部分の体積バランスに応じて、リオトロピック液晶相を示します。これらの構造は、ナノメートルスケールでの2つの相溶性のない成分の微細相分離によって形成されます。石鹸は、リオトロピック液晶の身近な例です。

水やその他の溶媒分子の含有量によって、自己組織化構造が変化します。両親媒性分子の濃度が非常に低い場合、分子は無秩序に分散します。濃度がわずかに高くなると（それでも低い濃度ですが）、両親媒性分子は自発的にミセルまたはベシクルを形成します。これは、両親媒性分子の疎水性尾部をミセルコア内部に「隠す」ことで、親水性（水溶性）表面を水溶液に露出させるためです。ただし、これらの球状物体は溶液中では秩序化しません。濃度が高くなると、集合体は秩序化します。典型的な相は六方柱状相で、両親媒性分子は長い円筒（やはり親水性表面を持つ）を形成し、それがほぼ六角形の格子状に配列します。これは中間石鹸相と呼ばれます。さらに濃度が高くなると、層状相（純粋な石鹸相）が形成される場合があり、そこでは両親媒性分子の長いシートが薄い水の層によって隔てられています。系によっては、六方晶相と層状相の間に立方晶相（粘性等方相とも呼ばれる）が存在する場合があり、そこでは球状粒子が形成され、密な立方格子を形成する。これらの球状粒子は互いに連結し、二連続立方晶相を形成することもある。

両親媒性物質によって生成される物体は、通常は球形（ミセルの場合など）ですが、円盤状（バイセル）、棒状、または二軸性（ミセルの3つの軸がすべて異なる）の場合もあります。これらの異方性自己組織化ナノ構造は、サーモトロピック液晶とほぼ同じように自己組織化し、すべてのサーモトロピック相（棒状ミセルのネマチック相など）の大規模版を形成します。

一部の系では、高濃度において逆相が観察される。すなわち、逆六方晶カラム相（両親媒性物質によってカプセル化された水の柱）や逆ミセル相（球状の水空洞を持つバルク液晶サンプル）が生成される可能性がある。

両親媒性物質の濃度が低い状態から高い状態へと移行する一般的な段階の流れは以下のとおりです。

• 不連続立方相（ミセル立方相）
• 六方晶相（六方晶柱状相）（中間相）
• 層状相
• 二連続立方相
• 逆六方晶柱状相
• 逆立方相（逆ミセル相）

同一相内であっても、自己組織化構造は濃度によって調整可能である。例えば、層状相では、溶媒量の増加に伴い層間距離が増加する。リオトロピック液晶は分子間相互作用の微妙なバランスに依存しているため、サーモトロピック液晶に比べてその構造や特性を分析することがより困難である。

同様の相と特性は、混和しないジブロック共重合体でも観察される。

生体システムにはリオトロピック液晶相が豊富に存在し、その研究は脂質多形性と呼ばれています。そのため、リオトロピック液晶は生体模倣化学の分野で特に注目を集めています。特に、生体膜や細胞膜は液晶の一種です。これらの構成分子（例えばリン脂質）は膜表面に垂直ですが、膜は柔軟です。^{[ 55 ]}これらの脂質は形状が異なります（脂質多形性に関するページを参照）。構成分子は容易に混ざり合うことができますが、このプロセスに必要なエネルギーが高いため、膜から離れることはあまりありません。脂質分子は膜の片側からもう片側に反転することができ、このプロセスはフリッパーゼとフロッパーゼ（移動方向に応じて）によって触媒されます。これらの液晶膜相は、受容体などの重要なタンパク質を膜の内側または外側に自由に「浮遊」させることもできます。例えば、CTP:ホスホコリンシチジルトランスフェラーゼ（CCT）などです。

他の多くの生物学的構造も液晶挙動を示します。たとえば、クモが絹を生成するために押し出す濃縮タンパク質溶液は、実際には液晶相です。絹の分子の正確な配列は、その有名な強度にとって重要です。DNAや、能動的に駆動される細胞骨格フィラメントを含む多くのポリペプチド^{[ 56 ]}も液晶相を形成することができます。細長い細胞の単層も液晶挙動を示すことが報告されており、それに伴うトポロジー欠陥は、細胞死や押し出しなどの生物学的結果と関連付けられています^{[ 57 ]} 。これらの液晶の生物学的応用は、現在の学術研究の重要な部分を占めています。

液晶の例は鉱物の世界にも見られ、そのほとんどはリオトロピックである。最初に発見されたのは、1925年にゾーハーによって発見されたバナジウム(V)酸化物である。 ^{[ 58 ]}それ以来、他のいくつかの液晶が発見され、詳細に研究されてきた。^{[ 59 ]}スメクタイト粘土族の場合に真のネマチック相が存在することは、1938年にラングミュアによって提起されたが、^{[ 60 ]}長い間未解決の問題のままであり、最近になってようやく確認された。^{[ 61 ] [ 62 ]}

ナノサイエンスの急速な発展と、多くの新しい異方性ナノ粒子の合成により、例えばカーボンナノチューブやグラフェンなど、そのような鉱物液晶の数は急速に増加しています。層状相であるH ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄ も発見されており、層間距離が約250 nmまで超膨張します。 ^{[ 37 ]}

液晶の異方性は、他の流体では見られない特性です。この異方性により、液晶の流れは通常の流体の流れよりも異なる挙動を示します。例えば、2枚の平行な板の間に液晶のフラックスを注入すると（粘性フィンガリング）、分子の配向が流れと連動し、結果として樹枝状パターンが現れます。^{[ 63 ]}この異方性は、異なる液晶相間の界面エネルギー（表面張力）にも現れます。この異方性は共存温度での平衡形状を決定し、非常に強いため、通常はファセットが現れます。温度が変化すると、一方の相が成長し、温度変化に応じて異なる形態を形成します。^{[ 64 ]}成長は熱拡散によって制御されるため、熱伝導率の異方性は特定の方向への成長を促進し、最終的な形状にも影響を与えます。^{[ 65 ]}

流体相の微視的な理論的解析は、物質密度が高いため、強い相互作用、ハードコア反発、多体相関を無視できないことから、非常に複雑になる可能性がある。液晶の場合、これらの相互作用すべてにおける異方性が、解析をさらに複雑にする。しかしながら、液晶系における相転移の一般的な挙動を少なくとも予測できる、比較的単純な理論がいくつか存在する。

順序パラメータ

液晶の記述には秩序の解析が含まれる。最も一般的な二軸ネマチック液晶の配向秩序を記述するために、2階対称無痕跡テンソル秩序パラメータであるQテンソルが用いられる。しかし、より一般的な一軸ネマチック液晶を記述するには、スカラー秩序パラメータで十分である。^{[ 66 ]}これを定量化するために、通常、2次ルジャンドル多項式の平均に基づいて配向秩序パラメータが定義される。

${\displaystyle S=\langle P_{2}(\cos \theta )\rangle =\left\langle {\frac {3\cos ^{2}(\theta )-1}{2}}\right\rangle }$

どこ${\displaystyle \theta }$は、液晶分子軸と局所ディレクター（液晶サンプルの体積要素における「優先方向」であり、局所的な光軸も表す）との間の角度です。括弧は、時間的および空間的な平均の両方を示します。この定義は、完全にランダムで等方的なサンプルではS  =  0 であるのに対し、完全に整列したサンプルでは S = 1 であるため便利です。典型的な液晶サンプルでは、​​Sは 0.3 ～ 0.8 のオーダーであり、一般的に温度が上昇するにつれて減少します。特に、システムが LC 相から等方相への相転移を起こすと、秩序パラメーターが 0 に急激に低下することが観察されます。^{[ 67 ]}秩序パラメーターは、さまざまな方法で実験的に測定できます。たとえば、反磁性、複屈折、ラマン散乱、NMR、EPRを使用して S を決定できます。^{[ 28 ]}

液晶の秩序は、他の偶数ルジャンドル多項式を用いて特徴付けることもできる（ディレクターは2つの反平行方向のいずれかを向くことができるため、奇数多項式はすべて平均するとゼロになる）。これらの高次の平均値は測定がより困難だが、分子の秩序に関する追加情報が得られる可能性がある。^{[ 24 ]}

位置秩序パラメータも液晶の秩序を記述するために用いられる。これは、特定のベクトルに沿った液晶分子の重心の密度の変化によって特徴づけられる。z軸に沿った位置変化の場合、密度は${\displaystyle \rho (z)}$多くの場合、次のように表されます。

${\displaystyle \rho (\mathbf {r} )=\rho (z)=\rho _{0}+\rho _{1}\cos(q_{s}z-\varphi )+\cdots \,}$

複素位置順序パラメータは次のように定義される。${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )=\rho _{1}(\mathbf {r} )e^{i\varphi (\mathbf {r} )}}$そして$\displaystyle \rho _{0}}$平均密度。通常、最初の 2 つの項のみが保持され、高次の項は無視されます。これは、ほとんどの相が正弦関数を使用して適切に記述できるためです。完全なネマチックの場合${\displaystyle \psi =0}$そしてスメクチック相の場合${\displaystyle \psi }$複素数値をとるようになる。この秩序パラメーターの複雑な性質により、ネマチック相からスメクチック相への相転移と導体から超伝導体への相転移の間には多くの類似点が見られる。^{[ 25 ]}

科学者や技術者は、外部からの摂動によって液晶系の巨視的な特性に大きな変化が生じるため、液晶を様々な用途に利用することができます。これらの変化を誘発するために、電場と磁場の両方を用いることができます。電場と磁場の強さ、そして分子が整列する速度は、産業界が扱う重要な特性です。液晶デバイスでは、特殊な表面処理を施すことで、ディレクターの特定の配向を強制的に制御することができます。

既に述べたように、キラル液晶分子は通常、キラルメソフェーズを形成します。これは、分子が何らかの非対称性、通常は立体中心を持つ必要があることを意味します。さらに、系がラセミ体であってはならないという条件もあります。右巻き分子と左巻き分子の混合物は、キラル効果を打ち消してしまうからです。しかし、液晶秩序形成は協同的な性質を持つため、本来は非キラルなメソフェーズに少量のキラルドーパントを添加するだけで、一方のドメインのキラリティを選択的に除去し、系全体をキラルにすることがしばしば可能です。

キラル相は通常、分子がらせん状にねじれています。このねじれのピッチが可視光の波長と同程度であれば、興味深い光干渉効果が観察されます。キラル液晶相で発生するキラルねじれは、右円偏光と左円偏光に対して異なる応答を示すようにもなります。したがって、これらの材料は偏光フィルターとして使用できます。^{[ 81 ]}

キラル液晶分子が本質的にアキラルなメソフェーズを生成することは可能です。例えば、特定の濃度と分子量の範囲では、DNAはアキラルな線状六方晶相を形成します。最近の興味深い観察では、アキラル液晶分子からキラルなメソフェーズが形成されることが示されています。具体的には、ベントコア分子（バナナ液晶と呼ばれることもあります）がキラルな液晶相を形成することが示されています。^{[ 82 ]}特定のサンプルでは、​​さまざまなドメインが反対のキラリティを持ちますが、特定のドメイン内では強いキラル秩序が存在します。この巨視的なキラリティの出現メカニズムはまだ完全には解明されていません。分子が層状に積み重なり、層内で傾斜した形で配向しているようです。これらの液晶相は強誘電性または反強誘電性である可能性があり、どちらも応用上興味深いものです。^{[ 83 ] [ 84 ]}

キラル性は、キラルドーパントを添加することによって相に組み込むこともできる。このドーパント自体は液晶を形成しない場合がある。ツイストネマチックやスーパーツイストネマチックの混合物には、このようなドーパントが少量含まれていることが多い。

液晶は液晶ディスプレイに広く使用されており、液晶ディスプレイは電場の有無による特定の液晶物質の光学的特性に依存しています。典型的なデバイスでは、液晶層（通常4μmの厚さ）が、互いに90°の角度で交差する2枚の偏光板の間に配置されています。液晶の配向は、緩和相がねじれた状態になるように選択されています（ねじれたネマティック電界効果を参照）。^{[ 11 ]}このねじれた相は、最初の偏光板を通過した光を再配向させ、2番目の偏光板を透過させ（反射板があれば観察者へ反射されます）、デバイスは透明に見えます。LC層に電場を印加すると、分子の長軸は電場に平行に整列する傾向があり、液晶層の中心で徐々にねじれが解けます。この状態では、LC分子は光を再配向させないため、最初の偏光板で偏光された光は2番目の偏光板で吸収され、電圧の上昇とともにデバイスの透明度が低下します。このようにして、電界を利用して、ピクセルをコマンドに応じて透明または不透明に切り替えることができます。カラーLCDシステムも同じ技術を使用しており、カラーフィルターを使用して赤、緑、青のピクセルを生成します。^{[ 11 ]}キラルスメクチック液晶は、高速スイッチングバイナリ光変調器である強誘電体LCDで使用されています。同様の原理を使用して、他の液晶ベースの光学デバイスを作成することもできます。^{[ 85 ]}

液晶可変フィルターは、例えばハイパースペクトルイメージングなどの電気光学デバイスとして使用されます。^{[ 86 ] [ 87 ]}

温度によってピッチが大きく変化するサーモトロピックキラル液晶は、ピッチの変化に伴って材料の色が変わるため、簡易的な液晶温度計として使用できます。液晶の色変化は、多くの水槽やプールの温度計、乳幼児用温度計や入浴用温度計に使用されています。 ^{[ 88 ]}他の液晶材料は、伸縮や応力によって色が変わります。そのため、液晶シートは、ホットスポットの検出、熱流のマッピング、応力分布パターンの測定などに産業界でよく使用されています。流体状の液晶は、半導体産業における故障解析のために、電気的に発生したホットスポットを検出するために使用されます。^{[ 89 ]}

液晶レンズは、印加電圧または温度によって液晶層の屈折率を調整することにより、入射光を収束または発散します。一般的に、液晶レンズは分子配向を配置することにより放物線状の屈折率分布を生成します。したがって、平面波は液晶レンズによって放物線状の波面に整形されます。外部電場を適切に調整できれば、液晶レンズの焦点距離は連続的に調整可能です。液晶レンズは一種の適応光学です。イメージングシステムは、焦点補正、像面調整、または被写界深度または焦点深度の範囲の変更から恩恵を受けることができます。液晶レンズは、近視および老眼の視力矯正デバイス（たとえば、調整可能な眼鏡およびスマートコンタクトレンズ）を開発するための候補の1つです。^{[ 90 ] [ 91 ]}光学位相変調器である液晶レンズは、空間的に変化する光路長（つまり、瞳座標の関数としての光路長）を特徴としています。異なるイメージングシステムでは、必要な光路長の関数はそれぞれ異なります。例えば、平面波を回折限界スポットに収束させるには、物理​​的に平面の液晶構造の場合、液晶層の屈折率は近軸近似の下で球面または放物面である必要があります。画像を投影したり物体を検出したりする場合には、関心のある開口部全体にわたって光路長が非球面分布する液晶レンズが期待されます。液晶層上の電界の大きさを変えることで屈折率を電気的に調整できる液晶レンズは、入射波面を変調するための光路長の任意の関数を実現する可能性を秘めています。現在の液晶自由曲面光学素子は、同じ光学機構を持つ液晶レンズから拡張されたものです。^{[ 92 ]}液晶レンズの応用には、ピコプロジェクター、処方レンズ（眼鏡またはコンタクトレンズ）、スマートフォンカメラ、拡張現実、仮想現実などが含まれます。

液晶レーザーは、外部ミラーの代わりに分布帰還機構としてレーザー媒質中の液晶を使用します。液晶の周期的な誘電体構造によって生成されるフォトニックバンドギャップでの発光により、安定した単色発光を持つ低閾値高出力デバイスが得られます。^{[ 40 ] [ 93 ]}

ポリマー分散型液晶（PDLC）シートおよびロールは、粘着剤付きスマートフィルムとして入手可能で、窓に貼り付けて電気的に透明と不透明を切り替えることでプライバシーを確​​保できます。^{[ 94 ]}

石鹸水など、多くの一般的な液体は実際には液晶です。石鹸は水中での濃度に応じてさまざまな液晶相を形成します。^{[ 95 ]}

液晶フィルムは技術の世界に革命をもたらしました。現在では、デジタル時計、携帯電話、計算機、テレビなど、さまざまな機器に使用されています。CDやDVDの記録と読み取りに似たプロセスで、光メモリデバイスに液晶フィルムを使用することも可能かもしれません。^{[ 96 ] [ 97 ]}

液晶は量子コンピュータを模倣するための基本技術としても使用されており、電場を用いて液晶分子の配向を操作し、データを保存し、他の分子とのずれの度合いごとに異なる値を符号化する。^{[ 98 ] [ 99 ]}

• 「液晶の歴史と性質」。Nobelprize.org。2009年8月30日時点のオリジナルからアーカイブ。2009年6月6日取得。
• 低分子量液晶および高分子液晶に関する基本用語の定義（IUPAC勧告2001） 2009年10月3日にWayback Machineにアーカイブ済み
• ケース・ウェスタン・リザーブ大学による液晶に関する分かりやすい入門書
• 液晶物理学チュートリアル（2007年8月5日、コロラド大学液晶グループによるWayback Machineにアーカイブ済み）
• ゲント大学（ベルギー）の液晶・フォトニクスグループ。2007年6月13日にWayback Machineにアーカイブ済み。優れたチュートリアル。
• 液晶中の光伝搬シミュレーション（無料プログラム）
• Liquid Crystals Interactive Online（2021年3月18日時点、Wayback Machineにアーカイブ済み）
• 液晶研究所（2017年9月20日、Wayback Machineにアーカイブ済み）ケント州立大学
• 液晶（Liquid Crystals）は、2004年1月22日にWayback Machineにアーカイブされた、Taylor&Francisのジャーナルです。
• 分子結晶と液晶（テイラー＆フランシス社発行の学術誌）
• ICのホットスポット検出技術
• 液晶とは何か？（スウェーデン、チャルマース工科大学）
• 液晶化学の進歩 2010年6月16日にWayback Machineにアーカイブ済み オープンアクセス誌Beilstein Journal of Organic Chemistryの特集シリーズ
• DoITPoMS 教育学習パッケージ - 「液晶」 2010年8月4日にWayback Machineにアーカイブされました
• Bowlic液晶（ サンノゼ州立大学より、2015年5月18日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• 空間光変調器の位相校正（2021年10月29日、Wayback Machineにアーカイブ済み）