液晶分子の基本まとめ

液晶とは何か聞かれると、テレビやスマホなどの画面のことを連想するのではないでしょうか?

液晶は画面、ディスプレイのことではなくそれらに使用されている液晶分子のことを指します。テレビやスマホの画面に組み込まれている液晶は、液晶ディスプレイになります。

液晶分子は簡単に言うと液体と結晶の性質を併せ持つ、2つの中間の状態にあります。

英語だと Liquid Crystal となります。Liquidが液体、Crystalが結晶なのでそのままですね!

 

そんな液晶について簡単に紹介していこうと思います。液晶の世界の基礎を自分が勉強したことのメモとしてもまとめました。

 

ざっくりと液晶の歴史

液晶の歴史は19世紀末、1888年にオーストラリアのライニッツアーの液晶を観察したことに始まるといわれています。その後ドイツの物理学者レーマンに詳細な研究を依頼しました。

そして、翌年1889年に液体の流動性と結晶の光学性を併せ持つということで論文を発表しました。

それから1960年代後半までは山あり谷あり研究の盛衰が続きましたが、1968年に液晶表示の発表がありました。

液晶の応用への大きな一歩です。

ディスプレイへの利用がなされ、多くの試作品が製作されました。とは言え、大きな電圧が必要になるなど問題もありました。

しかし、同時期にこれまで高温でしか存在できなかった液晶に、室温で存在できる液晶が発見され、これによりディスプレイへの応用が加速されました。

その後、TNモードと呼ばれる方式が現れ、この表示モードで低電力で液晶を駆動させることができるようになり電卓などに使われるようになりました。

1983年には日本のエプソンから世界初の液晶カラーテレビが発表され、翌年に発売されました。

こうして液晶の研究は発展し、液晶が活躍する場面がどんどん増えていきました。

液晶分子って?

液晶は結晶と液体の中間の状態で、液体の「流れる性質」と結晶の「分子が規則正しく並ぶ性質」をもった状態のことです。もっというと液体の流動性と固体の異方性を併せ持った状態です。

流動性があっても、水などの液体とは全く異なる性質を持ちます。

液晶分子の長軸は平均的にある方向に向けて配列しています。この方向を配向ベクトルとよびnで表します。

液晶は回転や並進の対称性によりさまざまな種類に分類することができます。

上の図で示したのはネマチック相と呼ばれ、高い対称性を持ちます。

流動性も高く、取り扱いがしやすいです。また熱的ゆらぎをもっているので光を散乱し白く濁って見えます。lllll

もう一つ代表的なものにスメクチック相があります。

スメクチック相では図のように層構造を形成します。

層と層の間は、分子は移動できませんが層内では自由に移動できます。

層の間隔をdとして、この相に対する分子の傾きや層内の秩序の度合いなどによってさらに10種類以上に分類することができます。

 

もう一つ紹介しておきたいのがコレステリック液晶です。これは分子の配列が螺旋構造になっている液晶です。

ある面内での配向はそろっているが、法線方向における配向が連続的に変化してねじれていき、螺旋を描きます。

分子自身がキラル分子であったり、あるいは一定量のキラル分子を含んでいたりすると分子間の相互作用にねじれを発生させる力が生じコレステリック液晶となります。

キラル分子

分子の構造が、その分子を鏡に映した鏡像を重ね合わせることができない性質を分子のキラリティーと呼び、そのような分子のことをキラル分子と呼びます。

右手と左手のような関係で、同じ向きを向いたまま重ね合わせることができないです。(両手のひらを下に向けて重ね合わせると、指の並びは逆で重ならない)

螺旋の周期が可視光域に存在するものも多く、ブラッグ反射で鮮やかに色彩を表します。

 

これまで取り上げてきたネマチックやコレステリックは温度変化により液晶状態に至るもので、「温度相転移型(サーモトロピック)液晶」と言います。

 

一方で溶媒と異方性を持った溶質の2成分系からなっていて、濃度変化により液晶状態になるものを「濃度相転移型(リオトロピック)液晶」と言い、主に溶質分子は両親媒性分子です。

他にも剛直な棒状高分子が溶媒中でネマチックのような液晶相を形成するものやクロモニック系などがあります。

 

両親媒性分子の集合体としていろいろな形状のミセルや配列状態によって多面的なふるまいをし、特定の濃度、温度溶媒組織、第3成分の添加量などといった限定された範囲で液晶相となります。

液晶性が発現する条件が複雑で、リオトロピック液晶はサーモトロピック液晶に比較して研究が遅れています。

液晶性発現の条件としては分子が集合して柱状の超分子構造体もしくは高分子を形成するかどうかです。

分子構造と液晶

液晶性と分子構造は大きく関連しています。

棒状の低分子液晶の場合は、基本的には末端鎖部、コア部、結合子、スペーサー部分からなります。

棒状液晶分子の基本構造は下の画像のような感じになります。すべてがこのような構造をとるわけではないです。

R1R2にあたる部分は末端鎖部と呼ばれる部分で、柔軟な部分に婆ることが多いです。この部分の存在によって流動性を保ちます。極性基を導入することで分子内に極性を持たせることもできます。

A,Bコア部になります。環状構造であり、剛直な部分です。この部分は変形しない固い骨格のような部分であり、方向の秩序を生じます。

R1,R2が液晶的な性質、A,Bが結晶的な性質で、この2つが合わさって液晶の性質が生じているのがわかります!

 

X結合子でコア部の環同士を結合させる部位になり、分子の剛直性を保つ性質があります。

Yスペーサ部でコア部と末端部を繋ぐ役目があります。

配向秩序についてちょっと

相転移を起こし液晶分子のように方向性を持ったものが、ある特定の方向にそろうことによって配向の秩序を生じる場合、その秩序の高さを示す量を秩序度(秩序パラメータ)と呼びます。

ネマチック相の秩序パラメータとしては、配向秩序が発生したときの有限の値を持つ量(配向秩序パラメータ)があります。

 

配向秩序パラメータSは次のように定義されます。

配向秩序パラメータの式

P2(θ)ルジャンドルの多項式の第2項を用いていて、<>は平均を意味します。
f(θ)は分布関数でdΩ中に分子を見出す確率を表します。

ルジャンドル多項式で第2項を用いている理由は、ネマチック液晶の配列には前後の (どっちが頭でどっちが尻尾になるのような) 区別がないので、秩序パラメータは偶関数となります。
ルジャンドル多項式の第1項は奇関数なので第2項を用いています。

 

液体相では分子はランダムな方向を向いていて、配向はそろっていないのでS=0となります。

逆に分子の向きが完全にそろっていると完全配向となりS=1となります。

S=0の時は、cos2θの平均が1/3なので、0となります。

S=1の時は分子の傾きがθ=0なので、cos2θ=1となりS=1が出ます。

1度配向秩序パラメータを求めてみるといいかもしれません。0,1以外にもS=-0.5などもやってみてください。

さいごに

内容は少しづつ更新して追加していこうと思います。

 

いつもは海外や英語、プログラミングに関する記事を書いているのでそちらも興味あったら見てみてください。

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