指向矢(director)
在液晶中,分子推擠翻滾,任一瞬間沒有兩個指向完全相同——但平均而言它們傾向一個共同方向。指向矢就是概括這種局部平均取向的那一支箭。它不是分子、也不是畫在樣品上的固定線;它是在每一點定義的一個方向,就像風向標即使個別陣風亂吹、仍報出平均風向。想想梳過的頭髮的紋理、或割過的草坪的倒伏方向:沒有單一根髮或草界定它,但整片場有個方向,那就是指向矢。
兩個特徵讓指向矢精確。第一,它是一個單位向量,通常寫作 n,只攜帶方向、不攜帶分子的位置——取向有序正是指向矢所編碼的。第二,它是無頭的(無極性):n 與負 n 代表同一狀態,因為典型的液晶棒頭尾對稱,所以指向矢其實是一個雙頭的軸、而非有頭有尾的箭。分子多緊地聚在 n 周圍是另一個量,即序參數 S;指向矢告訴你朝哪個方向,S 告訴你多強烈。指向矢不必均勻:它可以隨處輕柔地彎曲,這些平滑的畸變有三種基本類型——展曲(splay)、扭曲(twist)、彎曲(bend)——各有其彈性能量代價(Frank 彈性)。在指向矢無法平滑定義之處,它留下一個稱為向錯的缺陷。
指向矢是液晶物理與技術的核心角色。LCD 正是靠旋轉指向矢運作:表面處理在盒壁錨定它的方向,施加的電場在中間讓它擺動,把畫素在透光與擋光之間切換。對抗展曲、扭曲、彎曲的彈性剛度,決定顯示器反應多快、以及它如何鬆弛回去。所以「平均取向場」這個抽象概念,實實在在就是每一個液晶元件所轉動的那顆旋鈕。
把 LCD 盒的內玻璃朝一個方向摩擦,接觸它的液晶分子就把指向矢沿摩擦痕排列——顯示器就是這樣錨定它的起始取向。遠離盒壁時,電場能把指向矢傾向別處。LCD 畫素的全部技藝,就是控制指向矢一層層地、從一片玻璃表面到另一片,指向何方。
指向矢 n 是液晶的平均局部取向——一個無頭的軸(n = 負 n),而非分子。
指向矢是無頭的軸:n 與負 n 意思相同,因為分子頭尾對稱。它只編碼取向——分子排列得多強是另一個數字,即序參數 S。