什么是织构【液晶织构向错的创新探究】

液晶织构向错的创新探究

虽然现在已可在高分辨电镜下直接观察到位错，但常用的方 法是通过透射电镜找到位错线后，通过转动样品，确定好柏 氏矢量的消光条件，才能确定描述位错的重要参量b（柏氏 矢量）。其它间接方法有浸蚀坑法、缀蚀法等。向错因能量太高难以在金属中存在，但在液晶中却广泛存在，并且用偏 光显微镜就可容易地观察到并可确定其特征量S（当然是间 接的观察）。晶体的结构一般是通过衍射技术显示出其对称 特征才能确定，而液晶的结构可通过观察其织构图案确定， 也可通过特殊位错或向错的存在确定。本文介绍通过液晶中 的织构确定液晶类型，以及向错的观察与其特征量确定过程。

此外，还对比分析讨论了金属、聚合物、液晶中的织构与线 缺陷。

一、实验材料、过程及相关原理 本实验使用石家庄永生华清液晶材料有限公司生产的 SLC1717向列相液晶，利用在向列相液晶里掺杂德国Merk公 司生产的5811手性化合物制得胆甾相液晶。通过液晶盒的取 向化处理制备了胆甾相平行取向的平面织构样品和垂直取 向的指纹织构样品，利用8CB法合成了近晶A相（SmA）。使 用江南光学仪器厂生产的偏光显微镜观察液晶样品，利用加 热台将液晶升温到清亮点以上，再冷却获得特定的织构。液 晶是一类介于晶体和非晶体之间的中间相，它既具有晶体的 各向异性和双折射性质，也有液体的流动性和低粘滞性，液 晶分子具有取向序但没有或只有部分位置序。这种差异造成 近晶相的结构接近晶体，部分位置序造成近晶相液晶同晶体 一样具有刃位错和螺位错，这为通过位错的存在唯一确定近 晶相提供了依据。液晶态中分子排列是有规律的，将这种取 向称为指向矢，指向矢并非都是位置的连续函数。在两个具有不同指向矢取向的区域交界处，会发生指向矢取向的突变， 即在此处指向矢没有确定的方向，这就产生了液晶中的向错， 即在向错处指向矢没有明确指向[5]。位错破坏晶体的平移 序，向错破坏晶体的取向序。向列相只具有取向序，毫无位 置序，因此向列相中只含有向错；
胆甾相及近晶相中由于有 部分位置序均含有向错和位错。在晶体中，用柏氏回路定出 位错的特征量b（Burgersvector）；
在液晶中，用 Frank-Nabarro回路定出位错特征量s。s是一个标量，它表 述液晶中指向矢绕着位错的旋转量和方位，用来表征向错的 强度。其强度s由环绕向错线核心同时跟着指向矢场位向作 回路而定出。设准（total）是按回路转动了360°的指向矢 总角度，则向错强度s=准(total)/2π。如果指向矢转动方 向和指向矢场转动角度相同，s为正；
如果指向矢转动方向 和指向矢场转动角度相反，s为负[2]。与金属中的相邻正负 号位错相似，液晶中两相连向错通常也是异号的，若它们的 s绝对值相同，则湮灭；
若不相同，则合并成一个能量更低 的向错。由参考文献[2]可知，通过织构判断液晶的基本规 律是：向列相液晶主要有纹理状织构、线状织构和大理石织 构（几乎无向错）；
胆甾相液晶自然状态下主要呈现扇形或 焦锥织构，垂直取向处理后会出现指纹织构，水平取向处理 后呈现平面织构（或称油丝织构）。近晶A相自然状态下主 要呈现扇形或焦锥织构，这与胆甾相较相似。在平行或垂直 取向处理后则呈现伪各向同性，像大理石织构或呈暗色。这样，根据不同取向条件下的特性可将它们区别开。

二、实验结果及分析 （一）向列相（Nematicphase）鉴定及向错观察图1为 向列相的纹影织构，常出现在比较薄的样品中，此时液晶分 子基本平行于液晶盒表面。因这种纹理状织构是对称性最低 的向列相特有的，很容易确定它是向列相。此外，可以看到 图中以一点为中心散开几个“黑刷”，这是由于内部材料光 轴的指向与来自起偏器的光（入射光）的偏振面垂直或平行， 不能产生可以透过检偏器的光。黑刷的中心点即为向错，即 是指向矢不连续的位置（称奇异点）。由于向错垂直于基板 表面时向错最短，自由能最低，故在视野中以向错点的状态 呈现。Nehring-Saupe液晶连续体理论还指出，向列相的s可 以为±1/2,±1,±3/2,±2,±5/2等值。向错的自由能随s2 上升。因此，高s值的向错是不稳定的，在试验中也通常只 能观察到m=±1/2或±1的向错。虽然某些复杂的近晶相也能 产生纹影织构，Nehring-Saupe理论指出，近晶相不产生强 度为半整数的向错点。故若纹影织构中出现|s|=1/2，3/2， 5/2的向错点，则该液晶一定是向列相液晶。图1中有两个刷 子的向错，如1、2、3位置，因此对应向列相。用实验的方 法定出向错特征量s，Nehring和Saupe总结出在纹影织构中 每个向错强度的绝对值|s|=（刷子数目）/4。此时要定出向 错强度的符号，则旋转偏振片，如果是正向错，其旋转方向 与偏振片旋转方向相同，如果是负向错，则旋转方向相反，见图1。偏振片旋转一个θ角，则黑刷子旋转θ/s角。即 |s|=1/2的向错点周围两个黑刷在偏光器旋转180°后回到 原位，而|s|=1的向错点周围4个黑刷在偏振片旋转360°后 才能回到原位。旋转物台同样可以改变样品与偏振片的相对 位置。但是，黑刷随载物台旋转的角度则不再是θ/s。而是 θ（s-1）/s。即若s=+1，则无论怎么旋转载物台，黑刷的 位置都将保持不变[1]。黑刷影像随偏振片旋转而旋转，但 在中心的向错保持不动，因此曾有人将纹影织构称为中心织 构（Cen-teredtexture）。

（二）胆甾相（Cholestericphase）鉴定图2为液晶盒 经平行取向处理后的胆甾相在偏光显微镜下的照片，呈现的 是平面织构。它明显不同于向列相中的线状织构中弯曲很圆 滑的表面向错，胆甾相在偏光下平面织构中的边界线内可以 含有位错[2]，因而可确定它代表胆甾相。图3为该液晶在经 垂直取向处理的液晶盒中偏光下观察到的指纹织构。通过测 定指纹的宽度可以确定胆甾相的螺距，这种指纹织构是所选 3种液晶中胆甾相特有的，因此可确定是胆甾相。

（三）近晶相（Smecticphase）鉴定近晶相的结构接近 晶体，可以有刃位错和螺位错。图4为近晶A相自然状态下最 常见的扇形织构（Fan-shapedtexture）或焦锥织构。图5为 胆甾相升温到清亮点以后采取急速冷却的措施得到焦锥织 构。在焦锥织构中，液晶处于一种多畴的状态。采取急速冷 却的操作，让液晶分子来不及规则排列，使得在每一个畴里，螺旋结构仍然存在，但不同畴的螺旋轴在空间取向杂乱无章， 不同畴的螺旋轴具有不同的指向便形成了焦锥织构。由于两 种液晶都出现了扇形织构，虽然有经验的人仍可找出它们的 差异，但对初学者便较困难。从第二小节可知，如果两者都 经平行取向处理，则可显示出织构的差异。事实上，仔细观 察图4与图5，还是可找出它们的差异。扇形织构是近晶A相 常见的织构，各个畴尺寸分布较均匀，而胆甾相是经快冷得 到的，组织很不平衡，畴的尺寸分布很不均匀；
且扇面的弧 度变化不如近晶相均匀，立体感不强。

三、讨论 液晶的发现已有100年的历史，从其发现的开始，人们 就主要使用偏光显微镜下的织构特征分析表征液晶的性质。

第一部液晶织构分析的专著出现在1979年。在材料科学基础 课程中介绍了三种材料中的织构，一是金属中的织构，二是 聚合物中的织构，三是液晶中的织构。其中金属中的织构介 绍的较多，其基本含义是多晶中晶粒取向出现择优分布的现 象。取向的含义是一个晶粒内晶体坐标系相对于样品坐标系 的转动关系。金属中的织构不仅在形变、再结晶过程中会出 现，在凝固、固态相变及薄膜外延生长中也会出现。织构的 出现会显著影响材料的性能。高分子聚合物是半晶态或非晶 态，在力的作用下，分子链逐渐展开并与力轴方向平行，从 而产生织构。没有力的作用，就难以形成聚合物中的织构。

溶致液晶也是利用这种择优织构获得与钢丝一样的高强度。（热致）液晶中的织构主要是偏光下观察到的特殊图案，就 像编织物上的特殊图案一样。它实际是不同畴区组成的图案， 每个畴区内分子排列没有突变，取向序基本一致。畴的边界 往往含有向错，就像金属中的晶界。液晶在偏光下的图案不 同，可以是相结构不同，也可以是分子取向不同。通过所谓 的“取向”方法可使液晶分子按人们希望的方式排列。由于 流动性好，液晶分子可通过电、极性化等方式很容易地控制， 从而也造成偏光下极其丰富而多彩的图案（织构）。织构在 液晶理论中也十分重要并有专门的书籍论述[3]。其实，金 属中的织构从广义的角度讲也是不同晶粒的取向分布，并不 需要择优分布。这样，金属中的织构也回到Texture的“编 织”本意上了。

四、结语 通过液晶实验、文献调研及研讨，获得如下结果。（1） 根据织构确定了液晶的类型；
观察了不同类型液晶中的向错， 并确定了其特征量s；
预测了相互连接的两个向错合并的结 果。（2）为后续学生设计、优化了一个新实验―――液晶 类型的织构法确定及向错的分析法。（3）对比分析了金属、 聚合物、液晶中的织构概念的联系与差异、位错与向错的关 系及确定方法，巩固了所学知识，培养了综合分析能力。（4） 总结了著名物理学家及材料学家Frank和Nabarro在金属、液 晶两类材料的位错与向错理论的贡献。