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溶致液晶的研究进展
理工学院
材料系
李梦艺
1334401006
摘
要
：溶致液晶
(Lyotropic
Liquid Crystal,
LLC)
通常是由一定浓度的表面活性剂
(Surface
Active
Agent, SAA)
与溶剂形成的二元或多
元体系，它同时具有液体可流动性和固体各向异性的特点，
结构多样，并且具有长程有序
特性。本文主要概述了溶致型液晶高分子的结构特点、形成过程，
表征方法等。
关键词
：溶致液晶高分子
分子设计
合成方法
液晶现象是
1888
年奥地利植物学家
zer
[
1]
在研究胆甾醇苯甲酯时首先发现的。研究
表明，液晶是介于
液体和晶体之间的一种特殊的热力学稳定相态，它既具有晶体的各相异性，
又有液态的流
动性。
1937
年
Bawden
和
Pirie
[2]
在研究烟草花叶病病毒时，发现其悬浮液具有液
晶的特性。这是人们第一次发现生物高分
子的液晶特性，其后
1950
年，
El
liott
与
Ambrose
第一
次合成了高分子液晶。
液晶高分子（
liquid
crystal
polymer
，<
/p>
LCP
）
就是具有液晶性的高分子，大多
数由小分子量基
元键合而成，它是一种结晶态，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异
性特征。
LCP
与普通
有机高分子材料
相比，具有独特的分子结构及热行为，它的分子由刚性的棒状大分子链组合而
成，受热熔
融或用溶剂溶解会形成一种兼有固体和液体部分性质的中间态，我们称这一中间态
为液晶
态。液晶态高分子呈一维或二维远程有序，表现出各项异性。良好的各向异性赋予
LCP
普通高分子材料所不能比拟的优良性能，
这些性能使得液晶高分
子的发展极为迅速，
人们对
LCP
的研
究也越来越多，越来越深入。同时，为了弥补
LCP
接缝强度低
、价格相对较贵、玻璃化温
度相对较高等缺陷，科学家们不断改进生产技术、尝试新的单
体、研发新品种的
LCP
。溶致液
晶<
/p>
(Lyotropic Liquid Crystal,
LLC)
通常是由一定浓度的表面活性剂
(Surface
Active Agent, SAA)
与
溶剂形成的二元或多
元体系由一种或多种双亲化合物组成的化学体系即双亲化合物和溶剂形成
的有序的体系<
/p>
,
溶致液晶的研究近年来有了较大的发展。
1.
溶致液晶的结构
溶致液晶
(Lyotropic
Liquid
Crystal,
L
LC)
是两亲性分子在水或其他极性溶剂中形成的液晶，
通常要
求分子具有双亲性质
,
即分子一端具有亲水性
< br>,
另一端居于疏水性。
常见的有两种
,
一种是溶
致液晶是两亲性分子在水或其他极性溶剂中形成
的液晶脂肪酸盐、油酸盐、烷基磺酸盐、铵基
化合物等。其亲水部分如羧基、磺酸基等与
一个长长的疏水基团相连
,
形成一极性“头”与两个
疏水“尾”
;
另一种是具有生命意义的类脂
,
如磷脂、糖鞘脂类化合物
,
分子的一个极性“头”与两
个疏水“尾”中
,
分子中的疏水基团通常彼此并排排列。溶致液晶的形成主要依赖于双亲分子间
的相互作用
,
极性基团见得静电力和疏水基团间的范德华力
。当双亲化合物的固体与水混合时
,
在水分子的作用下
,
水浸入固体晶格中
,
分布在亲水头基的双层之间
,
形成夹心结构。溶剂的浸入
,
破坏了晶体的取向有序性
,
使其具有液体的流动性。随着水的不断加入
,
可以转变
为不同的液晶
态。
2.
溶致液晶的形成过程
溶致液晶的形成一般经历以下过程：在溶液浓度很低时，双亲性的表面活性剂分子以单体
形式存在，或吸附在界面上；随溶液浓度增加，
SAA
分子可能经过二聚体阶段，形成预胶束
[3]
；<
/p>
当溶液浓度达到临界胶束浓度以上时，为了使体系能量降低，
SA
A
分子通过自组织作用相互缔
合形成棒状、球状或层状胶束，
此时胶束中分子的极性头基朝向极性介质，非极性链相互缔合
定向排列；继续增大浓度，
胶束将进一步缔合形成不同类型的液晶。
3.
溶致液晶的形态
液晶态一般表现为层状相、立方相、六方相结构。
（
1
）层状相。当双亲组分
—水体系中双亲物质含量为
80
～
85 %
时
,
液晶呈现层状相。在这
一相态中双亲分子与水形成层状堆积。在这个织构中
,
各层中分子的长轴互相平行并且垂直于层
的表面<
/p>
,
与流动的溶液相接触而溶于其中
,
双亲分子层彼此平行排列并被水分隔。
（
2
）
六方相。
由同一种双亲化合物形成的溶致液晶在较高浓度下呈现层状相，
较低浓度
(
双
亲物质含量为
20 %<
/p>
下呈现比层状相稳定的六方相。
通过
X<
/p>
射线衍射分析表明双亲分子集成一定
长度的圆柱形胶团
,
这些圆柱形再依次平行排列起来形成一个六方堆积。双亲分子的疏水烃链
位
于圆柱内部
,
极性基位于圆柱的外表
面。
（
3
）
立方相。双亲化合物的浓度介于层状相和六方相之间
,
即大约<
/p>
60 %
～
75 %
，便呈现立
方相。在这一相中
,
分
子先以疏水基在内、亲水基在外聚集成球状
,
然后球胶团再堆积
成一个立方
体。反立方相、反六方相。在双亲组分浓度比层状相大的稳定体系中，可能出
现反立方相，即
与立方相类似
,
但疏水
基团在外
,
而亲水基团在内。如果增加双亲组分浓度
,
会出现另一种中介相
,
这一相态与六方相唯一不同的是由疏水基在外
,
而亲水基在内的
胶团构成。
通常随
着水含量的增加或者温度的升高，两亲性分子的碳链紊乱度增加引起相转变，如果
在某一
给定温度下
,
一个双组分体系出现以上所有的中介相
,
则相出现的顺序与双亲物质浓度的
关系为
:
随着浓度增大，依次出现如下相转变，六方相
—立方相
—层状相
—反立方相
—反六
方相。
双亲化合物质与水形成液晶
,
与双亲化合物
的两个性质有关
:(1)
双亲化合物
—水界面上相邻
极性基之间的斥力大小。在这里最重要的因素是
亲水基的水化作用强度
,
亲水基和烷基链的空间
排列条件
,
以及相邻双亲分子所带电荷的符号。
(2)
烷基链和水的接触程度以及链的构象无序程
度。
这些受烷基链的数目、
长度和不饱和度的影响。
其中烷基链长度的影响较为突出
,
当
C< 6
时
,
不会出现
液晶相
;
当
C < 12
时
,
只有层状相、
立方相<
/p>
,
增加到
20
时
,
会出现层状相、
立方相、
六方相
三种液晶相态。
5.
溶致液晶的表征
用偏光显微镜检查溶致液晶的光学性质，层状液晶和反相六角相液晶为光学各向异性，立
方液晶为光学各向同性，
对于溶致液晶的内部结构和形态，
目前研究应用最广泛的技术是小角
X
射线衍射
(small ankle
X-ray diffraction
，
SAXS
）和冷冻透射电镜
(Cryo-TEM)
。另外，一
些新技术
如流变学性质、中子散射、共振拉曼光谱、傅立叶变换红外光谱、电子自旋共振
和核磁共振以
及差式扫描量热法等也在溶致液晶的研究中得到了应用。
< br>
6.
溶致液晶的应用新进展
溶致液晶的应用
,
过去多限于在日用化工、
蛋白凝胶等方面
,
而最近溶致液晶出现
不少诱人的
应用。
（
1
）在纳米材料合成中的应用
目前
,
溶致液晶被用作制备最热门的模板。
1992
年
,
国际上首次报道了通过溶致液晶模板对无
机物的导相作用合成出内部直径为
1.
5nm
～
10nm<
/p>
的中孔分子筛
,
这一发明为材料科学的发
展开
辟了新的途径。由于可以通过改变溶致液晶的组元
,
两亲分子类型与结构的搭配，可以调节分子
的取向、形态和间距
[4]
，从而合成出
2nm
< br>～
50nm
的中孔材料。美国的
George
S.
Attard
等人
[5
]
将疏松溶致液晶作为模板的方法应用到制备有序的、
疏松的金属纳米微粒上
,
纳米级
PP
V
硅单质
中
,
并表明溶致液晶是纳米结构设计中的通用介质。
用溶致
液晶模板合成纳米和中孔材料有三个显著的优点①材料的结构可事先设计②反应条
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