液晶

液晶( LC ) は、その特性が従来の液体と固体結晶の中間にある物質の状態です。たとえば、液晶は液体のように流れますが、その分子は固体のように共通の方向に向いています。LC相には多くの種類があり、光学特性 (テクスチャなど)によって区別できます。対照的なテクスチャは、物質の 1 つの領域 (「ドメイン」) 内の分子は同じ方向に向いていますが、異なる領域は異なる方向に向いているために生じます。LC 物質は、常に物質の LC 状態にあるとは限りません (水が氷または水蒸気になることがあるのと同じです)。

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 つの主なタイプに分けられます。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で構成されていますが、いくつかの鉱物も知られています。サーモトロピック LC は、温度が変化すると LC 相への相転移を示します。リオトロピック LC は、温度と溶媒(通常は水)内の分子の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 LC は有機分子と無機分子の両方で構成されており、その LC 転移は無機と有機の組成比にも依存します。

LC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LCは生体内に豊富に存在し、多くのタンパク質と細胞膜、およびタバコモザイクウイルスもLCです ^[要出典]。鉱物界のLCには、石鹸やさまざまな関連洗剤の溶液、および一部の粘土が含まれます。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・ライニツァーは、現在ではコレステリック液晶として知られる物質のクラスに属するコレステロールのさまざまな誘導体の物理化学的特性を調査した。それ以前に、他の研究者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まで冷却すると、独特の色彩効果を観察していたが、それを新しい現象と関連付けてはいなかった。ライニツァーは、誘導体コレステリルベンゾエートの色彩変化は、最も特異な特徴ではないと考えた。

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) で溶けて濁った液体になり、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。物理学者に助けを求めて、彼は1888年3月14日に、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流体を調べ、微結晶が見られたと報告した。ライニツァーのウィーンの同僚フォン・ツェファロヴィチも、中間の「流体」は結晶であると示唆した。レーマンとの手紙のやり取りは、多くの疑問が未解決のまま4月24日に終了した。ライニツァーは、1888年5月3日にウィーン化学会の会議で、レーマンとツェファロヴィッチの功績を称えて、その結果を発表しました。^[1]

その時までに、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）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、および光の偏光方向を回転させる能力を発見し、説明していました。

偶然の発見の後、ライニツァーは液晶の研究をそれ以上続けなかった。研究はレーマンによって続けられた。レーマンは、自分が新しい現象に遭遇し、それを調査する立場にあることに気づいた。博士研究員時代に彼は結晶学と顕微鏡学の専門知識を身につけていた。レーマンは、まずコレステリルベンゾエート、次に二重融解現象を示す関連化合物の体系的な研究を開始した。彼は偏光下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（ヒーターを備えたサンプルホルダー）が装備されていた。中間の曇り相は明らかに流動を持続していたが、他の特徴、特に顕微鏡下での特徴から、レーマンは固体を扱っていると確信した。1889年8月末までに、彼は結果をZeitschrift für Physikalische Chemie誌に発表した。^[2]

レーマンの研究はドイツの化学者ダニエル・フォアレンダーによって引き継がれ、大幅に拡大された。フォアレンダーは20世紀初頭から1935年に引退するまで、知られている液晶のほとんどを合成した。しかし、液晶は科学者の間で人気がなく、この物質は約80年間、純粋に科学的好奇心の対象のままであった。^[3]

第二次世界大戦後、ヨーロッパの大学の研究室で液晶の合成に関する研究が再開された。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の設計方法についての理解を深めた。彼の著書「分子構造と液晶の特性」^[4]は、この分野のガイドブックとなった。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研究を始め、後にケント州立大学で研究を始めたグレン・H・ブラウンである。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名が出席した液晶に関する最初の国際会議を組織した。この会議は、この分野での研究を行う世界的な取り組みの始まりを示し、すぐにこれらのユニークな材料の実用的な用途の開発につながった。^{[5] [6]}

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ける研究の焦点となりました。^[7]物理化学者のリチャード・ウィリアムズが125℃でネマティック液晶の薄い層に電界を適用したとき、彼はドメイン（現在ウィリアムズドメインとして知られています）と呼ぶ規則的なパターンの形成を観察しました。これがきっかけで、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ブラウン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いました。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℃を超えるとネマティ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のは非現実的でした。室温で動作できる材料が明らかに必要でした。

1966年、RCAのハイルマイヤーグループの研究化学者、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数のみが異なるネマチック化合物のみの混合物から、室温でネマチック液晶が得られることを発見しました。シッフ塩基化合物の三元混合物から、ネマチック範囲が22～105℃の材料が得られました。^[8]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を作ることができました。^[9]その後、研究チームは、多くがはるかに低い融点を持つネマチック化合物の多数の混合物の調製に進みました。広い動作温度範囲を得るためにネマチック化合物を混合するこの技術は、最終的に業界標準となり、現在でも特定の用途に合わせて材料を調整するために使用されています。

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。これは液晶研究の最も人気のあるテーマの1つです。^{[10]液晶ディスプレイの商用化への次のステップは、}ジョージ・グレイによる、融点が低い化学的に安定した物質(シアノビフェニル)の合成でした。^[11] 1973年のケン・ハリソンと英国国防省( RREマルバーン)との共同研究により、新しい材料の設計が実現し、小面積LCDが電子製品に急速に採用されるようになりました。

これらの分子は棒状で、実験室で作られたものもあれば、自然界に自然に現れたものもあります。それ以来、2種類の新しいLC分子が合成されました。円盤状（ 1977年にインドのシヴァラマクリシュナ・チャンドラセカールによって） ^[12]と円錐状またはボウル状（1982年に中国のルイ・ラムによって予測され、1985年にヨーロッパで合成されました）^{[13]です。}

1991年、液晶ディスプレイがすでに確立されていた頃、パリ南大学のピエール＝ジル・ド・ジェンヌは「単純なシステムにおける秩序現象を研究するために開発された方法が、より複雑な形態の物質、特に液晶やポリマーに一般化できることを発見した」としてノーベル物理学賞を受賞した。^[14]

多数の化合物が、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、ディスコティック、円錐（ボウル状）、および棒状の分子の3種類があります。ディスコティックは、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LCのコアは平らではなく、丼（3次元物体）のような形をしています。^{[15] [16]これにより、ディスコティックLCと円錐LCの両方で2次元の柱状配列が可能になります。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}優先的に整列できます。

• 分子の形状は、特に剛性の分子フレームワーク内では、比較的薄く、平坦または円錐形である必要があります。
• 分子長は少なくとも 1.3 nm である必要があり、これは多くの室温液晶上の長いアルキル基の存在と一致しています。
• 円錐 LC を除き、構造は分岐または角張ってはなりません。
• 準安定なモノトロピック液晶相を避けるために、融点が低いことが望ましいです。低温での中間相挙動は一般的に技術的に有用であり、アルキル末端基はこれを促進しま す。

拡張された、構造的に剛性の高い、高度に異方的な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に基づいています。^[17]

さまざまな液晶相（プラスチック結晶相とともにメソフェーズと呼ばれる）は、秩序のタイプによって特徴付けることができます。位置秩序（分子が何らかの秩序だった格子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）を区別できます。液晶は配向秩序が特徴ですが、位置秩序は部分的にしかないか、まったくありません。対照的に、位置秩序はあるが配向秩序がない材料は、プラスチック結晶として知られています。^{[18]ほとんどのサーモトロピック液晶は、高温で}等方相になります。加熱すると、最終的にはランダムで等方的な分子秩序と流体のような流動挙動を特徴とする従来の液体相になります。他の条件（たとえば、低温）では、液晶は、流動能力を維持しながら、顕著な異方性配向構造と短距離配向秩序を持つ1つ以上の相に存在する場合があります。^{[19] [20]}

液晶の秩序はドメインサイズ全体にまで及び、その大きさはマイクロメートルのオーダーになることもあるが、古典的な結晶固体でよく見られるようなマクロスケールにまで及ぶことは通常ない。しかし、境界の使用や電界の印加などの技術は、マクロな液晶サンプルに単一の秩序あるドメインを強制するために使用できる。^[21]液晶の配向秩序は1つの次元に沿ってのみ広がり、他の2つの方向では材料が本質的に無秩序である可能性がある。^{[22] [23]}

サーモトロピック相は、特定の温度範囲で発生する相です。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同秩序が破壊され、材料は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。^{[19] [20]}多くのサーモトロピック液晶は、温度が変化すると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、温度が上昇すると、さまざまなスメクチック相、続いてネマチック相、そして最後に等方性相を示す場合があります。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。^[24]

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、カラミティック有機分子は結晶の位置秩序を欠いているが、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、質量中心の位置は液体のようにランダムに分布しているが、その向きは長距離方向の秩序を形成するように制約されている。^[25]

ネマティックという単語は、ギリシャ語の νήμα (ギリシャ語: nema )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位相欠陥である回位に由来しています。

ネマチック相は、いわゆる「ヘッジホッグ」位相欠陥も示す。2次元では、位相電荷を伴う位相欠陥が存在する+ ⁠1/2⁠と- ⁠1/2⁠ . 流体力学により、 + ⁠1/2⁠欠陥は- ⁠よりもかなり速く移動する1/2⁠欠陥。欠陥同士が接近すると引き合い、衝突すると消滅する。 ^{[26] [27]}

ほとんどのネマティック相は一軸性です。つまり、1つの軸（準線と呼ばれる）がより長く、より望ましいもので、他の2つは同等です（円筒または棒として近似できます）。ただし、一部の液晶は二軸ネマティックであり、長軸の配向に加えて、二次軸に沿っても配向します。^[28]ネマティック結晶は通常の（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簡単に配向できます。配向したネマティックは一軸性結晶の光学特性を持ち、液晶ディスプレイ（LCD）で非常に役立ちます。^[7]

ネマチック相は非分子系でも知られています。高磁場では、電子が束または縞状に流れ、「電子ネマチック」形態の物質を作り出します。^{[29] [30]}

スメクティック相はネマティック相よりも低温で見られ、石鹸のように互いに滑ることができる明確な層を形成します。「スメクティック」という言葉は、洗浄、または石鹸のような性質を持つことを意味するラテン語の「smecticus」に由来しています。^[31] スメクティックは、このように一方向に沿って位置的に整列しています。スメクティック A 相では、分子は層の法線に沿って配向しますが、スメクティック C 相では、分子は層から離れて傾いています。これらの相は、層内で液体のようです。さまざまなスメクティック相があり、すべて異なるタイプと程度の位置的および配向的秩序が特徴です。^{[19] [20]}有機分子以外にも、スメクティック秩序は 2-D 材料またはナノシートのコロイド懸濁液内で発生することが報告されています。^{[32] [33]}スメクティック LC の 1 つの例は、p,p'-ジノニルアゾベンゼンです。^[34]

キラルネマチック相はキラリティー（利き手性）を示す。この相はコレステロール誘導体で初めて観察されたため、コレステリック相と 呼ばれることが多い。キラル分子のみがこのような相を生じさせることができる。この相は、分子軸がディレクターに平行で、ディレクターに垂直な分子のねじれを示す。隣接する分子間の有限のねじれ角は、それらの非対称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す。スメクチックC*相（アスタリスクはキラル相を示す）では、分子は層状構造で位置秩序を持ち（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る。キラリティーは、ある層から次の層への有限の方位角ねじれを誘発し、層の法線に沿って分子軸の螺旋ねじれを生み出すため、ツイストネマチックとも呼ばれる。^{[20] [22] [23]}

キラルピッチpは、液晶分子が 360° 完全にねじれる距離を指します (ただし、キラルネマティ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。これは、この相では 0° と ±180° のディレクターが同等であるためです)。ピッチ p は通常、温度が変化したとき、または他の分子が液晶ホストに追加されたときに変化します (アキラルな液晶ホスト材料は、キラル材料でドープされ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、 ^[35]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。^{[3] [22]}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可されますが、斜め入射の場合は高次の反射が許可されます。コレステリック液晶は、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ユニークな特性も示す。^[36]

ブルー相は、キラル ネマチ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ある。ブルー相は、数百ナノメートルの格子周期を持つ欠陥の規則的な3次元立方構造を持ち、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す。1981年に、これらの相は準結晶に似た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た。^{[38] [39]}

ブルー相は高速光変調器や調整可能なフォトニック結晶にとって興味深いものですが、その温度範囲は非常に狭く、通常は数ケルビン未満です。最近、室温（260～326 K）を含む60 K以上の温度範囲でブルー相が安定化することが実証されました。^{[40] [41]室温で安定化されたブルー相は、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 。^[42] 2008年5月、最初のブルー相モードLCDパネルが開発されました。^[43]

ブルー相結晶は、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り、3Dフォトニック結晶とみなすことができます。生産される結晶は通常多結晶（板状構造）であるか、単結晶のサイズが限られている（マイクロメートルの範囲）ため、理想的なブルー相結晶を大量に生産することは依然として問題です。最近、理想的な3Dフォトニック結晶として大量に得られるブルー相は、制御されたさまざまな結晶格子配向で安定化され、生産されています。^[44]

円盤状の LC 分子は、ディスコティックネマチック相として知られる層状の様式で配向することができます。円盤が積み重ねられている場合、相はディスコティック柱状と呼ばれます。柱自体は長方形または六角形の配列に編成される場合があります。キラルネマチック相に似たキラルディスコティック相も知られています。

円錐LC分子はディスコティック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。非極性ネマチック相を除く円錐相は極性相である。^[45]

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つ以上の成分で構成されています。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提供します。 ^[46]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は濃度の自由度がさらにあり、さまざまな異なる相を誘発することができます。

同じ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シーケンスを示します。これらの構造は、ナノメートルスケールでの 2 つの互換性のない成分のミクロ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日常的な例です。

水や他の溶媒分子の含有量によって、自己組織化構造は変化する。両親媒性物質の濃度が非常に低いと、分子は無秩序に分散する。わずかに高い（それでも低い）濃度では、両親媒性分子は自発的にミセルまたは小胞に集合する。これは、両親媒性物質の疎水性テールをミセルコア内に「隠し」、親水性（水溶性）表面を水溶液に露出させるためである。しかし、これらの球状の物体は溶液中では自ら秩序立つことはない。濃度が高くなると、集合体は秩序立つようになる。典型的な相は六角柱相で、両親媒性物質が長い円筒（これも親水性表面を持つ）を形成し、ほぼ六角形の格子に自らを配列する。これは中間石鹸相と呼ばれる。さらに濃度が高くなると、ラメラ相（純粋な石鹸相）が形成されることがあり、そこでは両親媒性物質の拡張シートが薄い水層で分離される。一部のシステムでは、六方相とラメラ相の間に立方相（粘性等方相とも呼ばれる）が存在する場合があり、そこでは球が形成されて高密度の立方格子を形成します。これらの球は互いに接続されて、二連続立方相を形成することもあります。

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) ですが、円盤状 (バイセル)、棒状、または二軸 (ミセルの 3 つの軸がすべて異なる) になることもあります。これらの異方性の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整列し、すべてのサーモトロピック相の大規模バージョン (棒状ミセルのネマティック相など) を形成します。

一部のシステムでは、高濃度で逆相が観察されます。つまり、逆六角柱相（両親媒性物質でカプセル化された水の柱）または逆ミセル相（球状の水空洞を持つバルク液晶サンプル）が生成される場合があります。

両親媒性物質の濃度が低い状態から高い状態へと進む一般的な段階の進行は次のようになります。

• 不連続立方相（ミセル立方相）
• 六方相（六角柱相）（中間相）
• ラメラ相
• 二連続立方相
• 逆六方柱状相
• 逆キュービック相（逆ミセル相）

同じ相内であっても、その自己組織化構造は濃度によって調整可能です。たとえば、ラメラ相では、層間距離は溶媒量とともに増加します。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、その構造と特性を分析することは、サーモトロピック液晶よりも困難です。

非混和性ジブロック共重合体でも同様の相と特性が観察されます。

液晶相は、連結した四面体で形成された構造を持ち、容易にガラスを形成するZnCl ₂のような低融点無機相をベースにすることもできます。長鎖石鹸のような分子を追加すると、無機-有機組成比と温度の両方の関数としてさまざまな液晶挙動を示す一連の新しい相が生まれます。このクラスの材料はメタロトロピックと呼ばれています。^[47]

サーモトロピック中間相は、2 つの主要な方法によって検出および特性評価されます。最初の方法は、熱光学顕微鏡法^{[48] [49]}を使用する方法で、この方法では、材料の小さなサンプルを 2 つの交差した偏光子の間に置き、サンプルを加熱および冷却します。等方性相は光の偏光に大きな影響を与えないため、非常に暗く見えますが、結晶相と液晶相はどちらも光を均一に偏光するため、明るさと色のグラデーションが生じます。この方法では、異なる相が特定の順序で定義され、それを観察する必要があるため、特定の相の特性評価が可能です。2 番目の方法である示差走査熱量測定(DSC) ^[48]では、相転移と転移エンタルピーをより正確に決定できます。DSC では、小さなサンプルを加熱して、時間に対して非常に正確な温度変化を生成します。相転移中、この加熱または冷却速度を維持するために必要な熱流が変化します。これらの変化を観察し、主要な液晶転移などのさまざまな相転移に起因させることができます。

リオトロピック中間相も同様の方法で分析されますが、メソゲンの濃度が重要な要素となるため、これらの実験はやや複雑です。これらの実験は、その影響を分析するために、 さまざまなメソゲン濃度で実行されます。

リオトロピック液晶相は生体内に豊富に存在し、その研究は脂質多形性と呼ばれています。したがって、リオトロピック液晶は生体模倣化学の分野で特に注目されています。特に、生体膜と細胞膜は液晶の一種です。その構成分子 (例:リン脂質) は膜表面に対して垂直ですが、膜は柔軟です。^[50]これらの脂質は形状が異なります (脂質多形性のページを参照)。構成分子は容易に混ざり合いますが、このプロセスには高いエネルギーが必要であるため、膜から離れることはありません。脂質分子は膜の片側からもう一方の側へ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によって触媒されます (移動方向によって異なります)。これらの液晶膜相は、膜の内側または部分的に外側に自由に「浮遊」する受容体などの重要なタンパク質をホストすることもできます (例: CTP: ホスホコリンシチジルトランスフェラーゼ (CCT))。

他の多くの生物学的構造も液晶挙動を示す。例えば、クモが糸を生成するために押し出す濃縮タンパク質溶液は、実際には液晶相である。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ある。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^[51]も液晶相を形成することができる。細長い細胞の単層も液晶挙動を示すことが説明されており、関連するトポロジカル欠陥は、細胞死や押し出しなどの生物学的結果に関連付けられている。^[52]これらを合わせると、液晶のこれらの生物学的応用は、現在の学術研究の重要な部分を形成している。

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す。最初に発見されたのは1925年にゾッハーによって発見されたバナジウム(V)酸化物でした。 ^[53]それ以来、他のいくつかのものが発見され、詳細に研究されました。^{[54]スメクタイト}粘土ファミリーの場合の真のネマチック相の存在は1938年にラングミュアによって提起されましたが、^[55]長い間未解決の問題であり、最近になってようやく確認されました。^{[56] [57]}

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、カーボンナノチューブやグラフェンなど、このような鉱物液晶の数は急速に増加しています。ラメラ相であるH ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄も発見され、これはラメラ間距離が最大約250 nmの超膨潤を示します。^[32]

液晶の異方性は、他の流体では見られない特性である。この異方性により、液晶の流れは、通常の流体よりも異なる挙動を示す。例えば、2枚の近接した平行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、樹枝状パターンが出現する。^[58]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）にも現れる。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る。温度が変化すると、相の1つが成長し、温度変化に応じて異なる形態を形成する。^[59]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る。^[60]

流体相の微視的理論的処理は、物質密度が高いため非常に複雑になる可能性があり、強い相互作用、ハードコア反発、多体相関を無視することはできません。液晶の場合、これらすべての相互作用の異方性により、分析がさらに複雑になります。ただし、液晶システムにおける相転移の一般的な動作を少なくとも予測できる、かなり単純な理論がいくつかあります。

すでに述べたように、ネマティック液晶は棒状の分子で構成されており、隣接する分子の長軸は互いにほぼ揃っています。この異方性構造を記述するために、ディレクターと呼ばれる無次元単位ベクトルnが導入され、任意の点の近傍の分子の優先配向方向を表します。ディレクター軸に沿って物理的な極性がないため、nと-nは完全に等価です。^[20]

液晶の記述には秩序の分析が含まれる。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、第2ランク対称トレースレステンソル秩序パラメータであるQテンソルが使用される。しかし、より一般的な一軸ネマチック液晶の場合には、スカラー秩序パラメータで十分である。^[61]これを定量的に表すために、配向秩序パラメータは通常、第2ルジャンドル多項式の平均に基づいて定義される。

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

ここで、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、局所光軸も表す）との間の角度である。括弧は時間平均と空間平均の両方を示す。この定義は、完全にランダムで等方性のサンプルではS  = 0 であるのに対し、完全に整列したサンプルでは S=1 となるため便利である。典型的な液晶サンプルでは、​​Sは 0.3 ～ 0.8 程度であり、一般に温度が上昇するにつれて減少する。特に、システムが LC 相から等方相に相転移を起こすと、秩序パラメータが 0 に急激に低下することが観察される。^[62]秩序パラメータは、さまざまな方法で実験的に測定することができる。たとえば、反磁性、複屈折、ラマン散乱、NMR、EPR を使用して S を決定できる^。[23]${\displaystyle \theta }$

液晶の秩序は、他の偶数ルジャンドル多項式（ディレクターは2つの反平行方向のいずれかを指すことができるため、すべての奇数多項式の平均はゼロになります）を使用して特徴付けることもできます。これらの高次の平均は測定がより困難ですが、分子の秩序に関する追加情報を得ることができます。^[19]

位置秩序パラメータは、液晶の秩序を表すためにも使用されます。これは、特定のベクトルに沿った液晶分子の質量中心の密度の変化によって特徴付けられます。z 軸に沿った位置の変化の場合、密度は次のように表されることがよくあります。 ${\displaystyle \rho (z)}$

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

複素位置秩序パラメータは、平均密度として定義されます。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。完全なネマチック相では、スメクチック相では が複素値を取ります。この秩序パラメータ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転移と導体から超伝導体への転移の間には多くの類似点があります。^[20]${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )=\rho _{1}(\mathbf {r} )e^{i\varphi (\mathbf {r} )}}$${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle \psi =0}$${\displaystyle \psi }$

リオトロピック相転移を予測する単純なモデルは、ラース・オンサーガーが提唱したハードロッドモデルである。この理論は、ある理想化された円筒が別の円筒に近づくときに、その円筒の質量中心から排除される体積を考慮する。具体的には、円筒が互いに平行に向いている場合、接近する円筒の質量中心から排除される体積は非常に小さい（もう一方の円筒にかなり近づくことができる）。しかし、円筒が互いにある角度をなしている場合、接近する円筒の質量中心が入ることができない大きな体積が円筒の周囲に存在する（2つの理想化された物体間のハードロッド反発のため）。したがって、この角度配置では、接近する円筒の正味の位置エントロピーが減少する（利用できる状態が少なくなる）。^{[63] [64]}

ここでの基本的な洞察は、異方性物体を平行に配置すると配向エントロピーが減少する一方で、位置エントロピーが増加するというものである。したがって、位置秩序が大きいほどエントロピー的に有利になる場合もある。したがって、この理論は、棒状物体の溶液が十分な濃度でネマチック相に相転移することを予測している。このモデルは概念的には役立つが、その数学的定式化には実際のシステムへの適用を制限するいくつかの仮定が含まれている。^[64]オンサガー理論の拡張は、非エントロピー効果を説明するためにフローリーによって提案された。

アルフレッド・ソープとヴィルヘルム・マイヤーによって提唱されたこの統計理論には、隣接する棒状液晶分子間の誘起双極子モーメントによる分子間引力ポテンシャルの寄与が含まれている。異方性引力は隣接分子の平行配列を安定化し、理論は相互作用の平均場平均を考慮する。自己矛盾なく解かれるこの理論は、実験と一致して、熱トロピックネマティック-等方性相転移を予測する。^{[65] [66] [67]マイヤー-ソープ平均場理論は、分子の}曲げ剛性を組み込み、高分子科学における経路積分法を使用することで、高分子量液晶に拡張されている。^[68]

^{ウィリアム・マクミラン[69]}が提唱したマクミランのモデルは、液晶のネマチック相からスメクチックA相への相転移を説明するために使用されるマイヤー・ソープ平均場理論の拡張である。このモデルは、分子間の短距離相互作用の強さに応じて、相転移が連続的または不連続的になり得ると予測している。その結果、ネマチック相、等方性相、およびスメクチックA相が出会う三重臨界点が考慮される。三重臨界点の存在を予測しているが、その値を正確に予測することはできない。このモデルは、液晶の配向および位置秩序を説明する2つの秩序パラメータを使用する。1つ目は、単に2番目のルジャンドル多項式の平均であり、2番目の秩序パラメータは次のように与えられる。

${\displaystyle \sigma =\left\langle \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)\right\rangle }$

z _i、 θ _i、d の値は、分子の位置、分子軸と方向子の間の角度、および層間隔です。単一分子の仮定される位置エネルギーは次のように表されます。

${\displaystyle U_{i}(\theta _{i},z_{i})=-U_{0}\left(S+\alpha \sigma \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)}$

ここで定数αは隣接する分子間の相互作用の強さを定量化する。このポテンシャルは熱平衡を仮定したシステムの熱力学的特性を導くために使用される。その結果、数値的に解かなければならない2つの自己無撞着方程式が得られ、その解は液晶の3つの安定相である。^[23]

この形式論では、液晶材料は連続体として扱われ、分子の詳細は完全に無視される。むしろ、この理論は、想定される配向サンプルへの摂動を考慮する。液晶の歪みは、一般的にフランク自由エネルギー密度によって記述される。配向サンプルで発生する可能性のある歪みには、次の 3 つのタイプがある。(1) 材料のねじれ。隣接する分子が整列するのではなく、互いに対して角度を付けられるよう強制される。(2) 材料の広がり。曲げがディレクターに対して垂直に発生する。(3) 材料の曲がり。歪みがディレクターと分子軸に平行になる。これら 3 つのタイプの歪みはすべて、エネルギー ペナルティを被る。これらは、ドメイン壁または囲む容器の境界条件によって誘発される歪みである。材料の応答は、3 種類の歪みに対応する弾性定数に基づく項に分解できる。弾性連続体理論は、液晶デバイスと脂質二重層のモデリングに効果的なツールである。^{[70] [71]}

科学者や技術者は、外部からの摂動によって液晶システムのマクロ的な特性に大きな変化を生じさせることができるため、さまざまな用途で液晶を使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使用することができます。分子が整列する速度だけでなく、場の大きさも、業界が扱う重要な特性です。液晶デバイスでは、ディレクターの特定の方向を強制するために、特殊な表面処理を使用することができます。

ディレクターが外部電界に沿って整列する能力は、分子の電気的性質によって引き起こされます。永久電気双極子は、分子の一方の端が正の電荷を持ち、もう一方の端が負の電荷を持つときに発生します。外部電界が液晶に適用されると、双極子分子は電界の方向に沿って配向する傾向があります。^[72]

分子が永久双極子を形成しない場合でも、電場の影響を受けることがあります。場合によっては、電場によって分子内の電子と陽子がわずかに再配置され、誘導電気双極子が生じます。永久双極子ほど強力ではありませんが、外部電場による配向は依然として発生します。

外部電界に対するあらゆるシステムの反応は

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}E_{i}+P_{i}}$

ここで、、は電界、電界変位、分極密度の成分である。システムに蓄えられる体積あたりの電気エネルギーは ${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle D_{i}}$${\displaystyle P_{i}}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}D_{i}E_{i}}$

（二重に現れる指数 についての合計）。ネマティック液晶では、分極と電気変位は両方とも電場の方向に線形に依存します。液晶は の反射に対して不変であるため、分極は配向ベクトル内で均一である必要があります。最も一般的な表現形式は、 ${\displaystyle i}$${\displaystyle n}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}\epsilon _{\bot }E_{i}+\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)n_{i}n_{j}E_{j}}$

（指数 上の合計）と誘電率はディレクターに平行および垂直です。するとエネルギー密度は（システムのダイナミクスに寄与しない定数項を無視すると）^[73]${\displaystyle j}$${\displaystyle \epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }}$${\displaystyle n}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}\epsilon _{0}\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)\left(E_{i}n_{i}\right)^{2}}$

（ についての合計）。が正の場合、エネルギーはと が平行のときに最小になります。これは、システムが液晶を外部から印加された電場に整列させる傾向があることを意味します。が負の場合、エネルギーは とが垂直のときに最小になります（ネマチック液晶では垂直配向が退化し、渦の発生が可能になります^[74]）。 ${\displaystyle i}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$

この差は誘電異方性と呼ばれ、液晶アプリケーションにおける重要なパラメータです。市販の液晶には2 種類あります。5CBとE7 液晶混合物は、一般的に使用される2 つの液晶です。MBBAは一般的な液晶です。 ${\displaystyle \Delta \epsilon =\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$

液晶分子に対する磁場の影響は電場と類似している。磁場は電荷の移動によって生成されるため、原子の周りを移動する電子によって永久磁気双極子が生成される。磁場が印加されると、分子は磁場と一致するか、または磁場に逆らって整列する傾向がある。電磁放射、例えば紫外線可視光は、主に少なくとも光スイッチングユニットを有する光応答性液晶に影響を与える可能性がある。^[75]

外部場がない場合、液晶の配向子はどの方向を向いても自由です。ただし、外部の因子をシステムに導入することで、配向子を特定の方向に向けることができます。たとえば、薄いポリマーコーティング (通常はポリイミド) をガラス基板上に広げ、布で一方向にこすると、その表面に接触している液晶分子がこすった方向に揃うのが観察されます。現在受け入れられているこのメカニズムは、ポリイミドの表面近くの層にある部分的に揃ったポリマー鎖上で液晶層がエピタキシャル成長すると考えられています。

いくつかの液晶化学物質も「コマンド表面」に整列し、コマンド表面は偏光の電界によって整列します。このプロセスは光配向と呼ばれます。

表面アンカリングによって生成される配向と電場効果によって生成される配向との競合は、液晶デバイスでよく利用されます。液晶分子が表面に対して平行に整列し、電場がセルに対して垂直に適用されるケースを考えてみましょう。最初は、電場の強度が増しても、配向の変化は発生しません。しかし、電場のしきい値強度に達すると、変形が発生します。変形は、ディレクターが分子ごとに配向を変えるところで発生します。整列状態から変形状態へのこのような変化の発生はフレデリックス転移と呼ばれ、十分な強度の磁場を適用することでも発生する可能性があります。

フレデリクス転移は、電界を印加することで配向（および特性）を簡単に制御できるため、多くの液晶ディスプレイの動作の基本となります。

すでに述べたように、キラル液晶分子は通常、キラル中間相を生じます。つまり、分子は何らかの形の非対称性、通常は立体中心を持たなければなりません。さらに、システムがラセミ体でないことも必要です。右利きと左利きの分子が混ざると、キラル効果が打ち消されます。ただし、液晶の秩序化の協同的性質により、通常はアキラル中間相に少量のキラルドーパントを加えるだけで、1 つのドメインの利き手が選択できる場合が多く、システム全体がキラルになります。

キラル相は通常、分子の螺旋状のねじれを持っています。このねじれのピッチが可視光の波長のオーダーであれば、興味深い光学干渉効果が観察されます。キラルLC相で発生するキラルねじれは、システムが右回りと左回りの円偏光に対して異なる反応を示すようにもします。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。^[76]

キラルな液晶分子は、本質的にアキラルな中間相を生成する可能性がある。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相を形成する。最近の興味深い観察は、アキラルな液晶分子からのキラル中間相の形成である。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る）は、キラルな液晶相を形成することが示された。^[77]特定のサンプルでは、​​さまざまなドメインが反対の利き手を持つが、特定のドメイン内では強いキラル秩序が存在する。このマクロなキラリティーの出現メカニズムはまだ完全には明らかではない。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に見える。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、どちらもアプリケーションにとって興味深い。^{[78] [79]}

キラリティーは、キラルドーパントを添加することによっても相に組み込むことができますが、それ自体は LC を形成しない場合があります。ツイストネマティックまたはスーパーツイストネマティック混合物には、このようなドーパントが少量含まれていることがよくあります。

液晶は液晶ディスプレイで広く利用されている。液晶ディスプレイは、電場の有無にかかわらず、特定の液晶物質の光学特性に依存する。一般的なデバイスでは、液晶層（通常 4 μm の厚さ）が、交差した（互いに 90° に配向された） 2 つの偏光子の間にある。液晶の配向は、その緩和相がねじれたものになるように選択される（ねじれネマチック電界効果を参照）。^[7]このねじれた相により、最初の偏光子を通過した光が再配向され、2 番目の偏光子を透過できるようになる（反射板が備えられている場合は、観察者に反射される）。したがって、デバイスは透明に見える。液晶層に電場が印加されると、長い分子軸は電場と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かれる。この状態では、液晶分子は光を再配向しないため、最初の偏光子で偏光された光は 2 番目の偏光子で吸収され、電圧の増加に伴ってデバイスの透明性が失われる。この方法では、電界を利用して、コマンドに応じてピクセルを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システムでも同じ技術が使用されており、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。^[7]カイ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LCDで使用されます。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。^[80]

液晶チューナブルフィルタは電気光学デバイスとして使用され、^{[81] [82]}例えばハイパースペクトルイメージングに使用されます。

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LCは、ピッチが変化すると材料の色が変わるため、粗製の液晶温度計として使用できます。液晶の色遷移は、多くの水槽やプールの温度計、乳児用やお風呂用の温度計に使用されています。 ^[83]他の液晶材料は、伸ばされたり応力がかかったりすると色が変わります。したがって、液晶シートは、ホットスポットを探したり、熱の流れをマッピングしたり、応力分布パターンを測定したりするために産業界でよく使用されています。液体状の液晶は、半導体業界での故障解析のために電気的に生成されたホットスポットを検出するために使用されます。^[84]

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させます。一般に、液晶レンズは分子配向を調整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再形成されます。外部電場を適切に調整できる場合、液晶レンズの焦点距離を連続的に調整できます。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利益を得ることができます。液晶レンズは、近視や老眼の視力矯正装置（例：調整可能な眼鏡や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。^{[85] [86]}液晶レンズは光位相変調器であるため、空間可変光路長（つまり、瞳孔座標の関数としての光路長）を特徴とします。異なるイメージングシステムでは、光路長の必要な関数はそれぞれ異なります。例えば、平面波を回折限界点に収束させるためには、物理​​的に平面な液晶構造の場合、液晶層の屈折率は近軸近似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感知したりする場合、対象の開口部全体にわたって光路長の非球面分布を持つ液晶レンズが必要になることがあります。電気的に調整可能な屈折率を持つ液晶レンズ（液晶層上の電場の異なる大きさに対処することにより）は、入射波面を変調するための光路長の任意の機能を実現する可能性があります。現在の液晶自由形状光学素子は、同じ光学メカニズムを持つ液晶レンズから拡張されました。^[87]液晶レンズの用途には、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、仮想現実などがあります。

液晶レーザーは、外部ミラーの代わりにレーザー媒体内の液晶を分布帰還機構として使用する。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伴う低閾値高出力デバイスが得られる。^{[35] [88]}

ポリマー分散液晶(PDLC) シートとロールは、窓に貼り付けて透明と不透明を電気的に切り替えてプライバシーを確​​保できる 粘着剤付きスマート フィルムとして利用できます。

石鹸水などの一般的な液体の多くは、実は液晶です。石鹸は水中の濃度に応じて様々な液晶相を形成します。^[89]

液晶フィルムはテクノロジーの世界に革命をもたらしました。現在、液晶フィルムはデジタル時計、携帯電話、計算機、テレビなど、さまざまなデバイス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、液晶フィルムを光メモリデバイスに使用することも可能かもしれません。^{[90] [91]}

液晶は量子コンピュータを模倣するための基礎技術としても使用されており、電界を使用して液晶分子の向きを操作し、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エンコードします。^{[92] [93]}

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• 液晶インタラクティブオンライン 2021年3月18日アーカイブ、Wayback Machine
• 液晶研究所 2017年9月20日アーカイブ、Wayback Machineケント州立大学
• 液晶 アーカイブ 2004年1月22日、Wayback Machineテイラー＆フランシスのジャーナル
• 分子結晶と液晶 テイラー＆フランシスのジャーナル
• 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より
• 液晶化学の進歩 2010年6月16日アーカイブ、Wayback MachineオープンアクセスBeilstein Journal of Organic Chemistryのテーマ別シリーズ
• 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
• ボウル型液晶 2015年5月18日アーカイブ、サンノゼ州立大学のWayback Machineより
• 空間光変調器の位相較正 2021年10月29日アーカイブ、Wayback Machine