向列相液晶您可能去过学校，物质可以处于三个
热力学阶段 ：固体，液体和气体。 （术语“阶段”与术语“状态”结合使用，但其中没有一个具有明确的，普遍接受的定义）。 对于年轻学生来说，这是一个有用的简化，但实际上有很多阶段。 在过去的一百年中，我们发现了数百种不同的固相的存在-其中一些固相用于在计算机中创建硅芯片。 此外，液晶有数十个阶段-其中一些阶段可以在屏幕上创建图像。 而且，我们甚至还没有涉及真正的奇异事物：量子相，超流液体，夸克-胶子等离子体，玻色-爱因斯坦凝聚物，等等。 “拓扑阶段。”
但是首先，回到开始并讨论什么是“阶段”。 像许多基本概念一样，最好通过示例进行说明。 考虑一杯水，其中漂浮有几个冰块。 玻璃杯中只有一种物质：水。 H
2 O分子很多。
尽管冰分子与周围水中的分子相同，但它们之间显然有很大的差异。 最明显的是，其中一个是固体，保持其形状，而另一个则自由流动并呈容器形式。 密度，电导率和其他一些特性也有所不同。 因此，我们说液态水和冰是同一物质的不同相。 （水是人不断遇到的三个不同阶段的唯一物质。这是水是特殊物质的原因之一）。
冰和水表现出完全不同的行为如何？ 您可能会想说一切都取决于温度：水是温暖的，冰是寒冷的，因此，水分子的行为会有所不同。 但是在0°C和正常大气压下，冰和液态水是稳定的-也就是说，它们可以无限期存在并且不会改变。
但是，如果关键的区别不是温度，那又如何呢？
大小规模
长期以来，科学家一直在讨论各种材料的宏观特性与制成它们的粒子的微观排列之间的关系。 最早的尝试之一是约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）于1611年做出的标题为“六角形雪花：新年礼物”的作品。 开普勒认为，雪花的六重对称性可以通过假设冰是由六边形填充的微小球体来解释的。
现在我们知道开普勒关于原子特殊排列的假设有些错误-他的方案没有反映水分子的三维形状和复杂的相互作用。 （在他的支持下，可以说化学还没有被发明，原子的存在终于在近300年后被证明了）。 但是，他走在正确的轨道上。 雪花的六倍对称性来自以下事实：水分子以六倍对称性排列在三维结构中（而且还有
三角形的雪晶 ，没人知道确切的原因）。
用现代物理学的语言来说，开普勒认为雪是一种结晶固体，由于其原子或分子排列成周期性的行或晶格，因此该物质具有其性质。 物理学家使用“晶体”一词来描述微观结构，无论材料看起来是钻石，沙粒还是雪花。 因此，对于物理学家来说，许多金属和陶瓷都是晶体，因为它们的原子或分子排列成周期性的晶格-在开普勒1611年的某些三维图上，它们是周期性的。
这解释了一杯水中的冰。 液态水呢？ 在任何物质中，在高于绝对零（-273°C）的温度下，分子都会不断移动并在强烈击穿后从台球这个词反弹。 物质的温度是分子运动速度的量度。
在液体中，这种随机热运动足以克服将分子保持在晶格中的力。 如果没有这种晶格，分子可以自由得多地运动。 这就解释了为什么当您用手指推动液体时会倒下而冰却不会倒下。 有趣的是，有些物质，特别是窗户玻璃，具有完全随机的微观结构，但在宏观层面上，它们仍表现为固体。 了解它们的行为是材料物理学中最重要的开放性问题。
梦幻般的阶段
在三维材料中，例如真实的冰，而不是在开普勒的素描中，一切都变得更加复杂，因为在三维中，有许多种方法可以将分子排列在周期性结构中。 例如，大约有17个阶段的冰（大概是因为该数目取决于如何对它们进行分类），其中最新的阶段是由意大利科学家于去年首次创建和研究的。 在不同的温度和压力下会发生不同的相，尽管它们都是固态的，但每个相都有自己的密度，强度，对电场和磁场的反应，热导率等。 由于在宏观行为上存在这些差异，因此我们将它们称为不同的阶段。 在“正常”条件下-地球表面的温度和压力-冰通常以“冰I
h ”的形式出现。 这种稳定的六边形晶体形式正是雪花六重对称的原因。
根据冰不同阶段的标签，实际上存在冰IX。 幸运的是，在地球表面的温度和压力下，它比其他“冰九号”（稳定阶段）要脆弱得多，因此，科特·冯内古特的小说“猫的摇篮”使海洋发生了灾难性的硬化。
不仅如此，即使有如此熟悉的内容。 在天王星和海王星等天然气巨头的中心，超高压还可能存在其他尚未发现的冰相。 在这种极端条件下，压力为一千万个大气压。 而且，水必须形成非常奇怪的结晶固相。 其中有一个金属导电相，如果弄清楚如何抛光它，它应该看起来有光泽。
中级选择
微观结构和宏观性能之间的联系是科学和工程学的主要思想，它被用于许多材料的开发中。 例如，液晶是笔记本电脑，电视和智能手机屏幕的关键组件。 液晶分子具有类似于棒的异常长的结构。 因此，它们可以处于几个不同的阶段，具有常规材料中未发现的特性。
例如，在高温下，分子处于混乱状态。 每个“棒”都位于随机位置，就像液态水中的分子一样，并沿任意方向定向。 这是各向同性的阶段。 在较低的温度下，分子可以进入向列相，在向列相中，它们像液态水一样随机排列，但方向相同。 由于没有形成晶格，所以向列相像液体一样流动，但是由于棒指向一个方向，因此具有微观顺序。 因此，它们被称为“液晶”。
对现代人来说幸运的是，向列相具有与方向相关的不同寻常的特性。 在电场中撞击时，分子沿其排列。 在LCD屏幕上，向列相中的分子的行为就像偏振滤光片：一种当分子以特殊方式（例如，从上到下）定向时会透射光，而在垂直定向时会延迟光的设备。 由于需要使用偏振滤光片，因此滤光片被放置在电话和显示器的光源和屏幕之间。 在LCD中，每个像素旁边的微小电极会产生一个电场，该电场控制其内部分子的位置，从而控制光的发射。 此工作方案用于IPS显示器（“平面内切换”）。 还有其他选项，例如，TN显示器使用更加奇特的扭曲向列相。
建模缩影
显然，微观结构有助于解释我们遇到和创造的材料的特性。 但是我们可以看到现实生活中的微观秩序吗？ 对于普通物质，例如冰，盐或金属，这是困难的，因为原子和分子非常小。 水分子不到十亿分之一米-在传统的光学显微镜中看不到，即使使用现代显微镜技术也很难看到。
幸运的是，不仅原子和分子都能够独立地组织成相。 在纽约大学软材料研究中心Chaikin的实验室中，我们使用小的硬球来研究物质的相。 它们被称为胶体，可以由多种材料制成，例如玻璃，塑料或金属。 实验室中的胶体比水分子大3000倍-它们的大小与细菌或动物细胞核相当。 对于材料专家而言，胶体就像是“理想颗粒”，其大小足以在显微镜下可见，而又足够小以形成与普通材料相似的相。
这张照片显示了涂有化学成分的塑料胶体，由于它们彼此排斥，因此在水的表面上在我们的实验室中，我们用特殊的涂层制作胶体，使它们能够粘附在水面上。 当它们粘在液滴上时，我们可以拍摄精美的显微照片-如这张照片。 您可以看到它们上各个相的微观结构，以及它们的取向如何导致诸如硬度之类的宏观特性的出现。 例如，我们现在研究的是颗粒的行为如何根据球形小滴或平坦的水表面而变化。 球体上颗粒的存在是否有助于或阻碍晶体的形成以及类似于固体的系统的出现？ 这可以帮助我们了解具有球形或更复杂形状的重要结构的属性。 例如，如果我们对保护HIV基因的蛋白质涂层了解更多，我们可以学习如何分解它们并击败病毒。
当晶体变坏时
研究微观秩序的最重要阶段之一是研究秩序受到干扰的条件。 例如，如果您查看晶格中的胶体图像，您会注意到它们的顺序是异质的。 您可以看到缺陷和不规则之处，缺陷。
用共聚焦显微镜拍摄图像-将荧光涂料添加到样品中，然后用激光照射在原子或分子的晶体中也发生类似的缺陷，它们起着重要的作用。 例如，他们确定材料的易碎性-在材料破裂之前可以承受什么样的载荷。 此外，由于缺陷会影响材料的导电性，因此半导体制造商花费数十亿美元来生产单晶硅-几乎没有缺陷的巨型硅块。 另一方面，有时这些微观缺陷非常有用。 最近的研究集中在石墨烯中缺陷的管理和控制上，以优化其作为脱盐的过滤器。
我们使用胶体晶体观察缺陷如何出现，相互移动和相互作用。 像相研究一样，研究胶体晶体可以帮助我们了解其他材料中的缺陷。 在生活的许多领域中，有时不完美是最有趣的部分。