向列相(nematic phase)
/ nee-MAT-ik /
向列相是最簡單的液晶,最接近普通液體、卻仍保有一絲晶體秩序。想像一大群魚全都朝同一方向、卻在散亂而不斷變動的魚群中游動,或漂流而下的木頭全都指向下游、卻自由地彼此漂過。分子——通常是棒狀——保持共同的平均指向,但它們的質心和任何液體一樣無序而可動。取向是有序的;位置則不是。
那個平均指向方向是一個單一的軸,稱為指向矢,記作 n。它是無頭的,意思是 n 與負 n 描述同一狀態,因為典型的棒頭尾看起來一樣。棒子多緊地貼著指向矢由序參數 S 量測:S = (3 cos^2 theta 減 1) 除以 2 的平均,其中 theta 是每個分子與指向矢的夾角;S 在無序液體中為 0,完美排列時為 1,真實向列相約為 0.3 到 0.8,加熱到清亮點時鬆向 0。因為沒有位置有序、也沒有分層,分子自由擴散流動——向列相倒起來像略帶黏性的液體。名字來自希臘文 nema(線):在顯微鏡下向列相佈滿線狀的缺陷線(向錯),在那裡指向矢的方向變得無法定義。
向列相是驅動全世界平面顯示器的液晶。在扭轉向列(twisted-nematic)盒中,指向矢被錨定成在兩片玻璃之間扭轉四分之一圈,引導偏振光穿過,使畫素看起來明亮;施加小電壓,棒子便轉向與電場對齊,扭轉解開,光被擋住,畫素變暗。因為向列相流動如此容易,這種切換快速且耗能極少——這正是為什麼是向列相、而非更有序的層列相,成了幾乎每一片 LCD 的基礎。
手錶或計算機顯示器裡的液晶盒,在兩片玻璃之間夾著只有數微米厚的向列層。沒有電壓時,扭轉的指向矢引導光穿過,該段看起來淺淡;按下某位數字的電極,電場旋轉棒子,光被切斷,該段變黑。每秒數百萬次,同樣的向列相切換描繪出 LCD 上的每一幅影像。
向列相只有取向有序:棒子共用指向矢的方向,但它們的位置仍像液體。
向列相沒有層(那是層列相),也完全沒有長程位置有序——只有平均指向方向(指向矢)是有序的。它是液晶相中最不有序、最像液體的一種。