🔺经典向列型液晶的纹影（图片来源：[4]）
这种“有序而不完全有序”的特性，使液晶表现出许多奇特的光学性质。例如，它们可以改变光的传播方向，对偏振光具有特殊的作用，这些都是液晶显示技术的核心基础。
🔺温度变化会让液晶分子在不同的排列方式间转换（图片来源：[3]）
从物理角度来看，液晶是一种介于液体和固体之间的中间态，被称为“液晶相”。当温度或压力变化时，液晶分子会在不同的排列方式之间转换，这种特性在显示技术中尤为重要，因为通过外界控制，就能操控液晶分子的取向，进而影响光线通过屏幕的方式。
液晶的发现
液晶的发现可以追溯到19世纪末。1888年，奥地利植物学家弗里德里希·莱尼茨尔（Friedrich Reinitzer）在研究一种叫胆甾醇苯酸酯的有机化合物时，意外发现它在加热过程中有两个不同的熔点：第一个熔点物质变成一种混浊的液体，继续加热后又变成完全清澈的液体。这一现象引起了他的极大兴趣。
随后，德国物理学家奥托·雷曼（Otto Lehmann）对这种奇怪的物质进行了详细研究，并创造了“液晶”一词。他发现这些物质在光学显微镜下呈现出独特的纹理，证明其分子排列并非完全无序，而是保留了部分晶体特性。
🔺液晶的发现者F.Reinitzer和O.Lehmann（图片来源：[2]）
液晶的发现不仅改写了人们对物质状态的传统认知，也为后来一系列应用埋下了伏笔。不过，在很长一段时间内，液晶仅仅是实验室里的“科学奇观”，直到20世纪中期，随着液晶电光效应的发现，人类才真正意识到它的商业潜力。
液晶的分类
液晶并不是单一的物质，而是一类物质。根据分子排列方式和外部条件，液晶可以分为多种类型，常见的有以下三类：
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向列型液晶
向列型液晶是最常用的一类，也是液晶显示器的核心材料。在这种液晶中，分子中心的位置比较随机，但它们的长轴会大致朝向同一方向，像一群鱼在水中游动，虽然位置混乱，但整体方向一致。这种排列方式使得液晶对电场非常敏感，容易通过施加电压来控制分子的取向。
🔺向列型液晶示意图（图片来源：[1]）
02
层列型液晶
层列型液晶的分子排列更为有序，不仅方向一致，还会形成一层一层的结构，好比一叠纸张。这种液晶的黏度更大，响应速度较慢，一般用于特殊显示或光学设备。
🔺层列型液晶示意图（图片来源：[1]）
03
胆甾型液晶
胆甾型液晶分子排列成螺旋状，因此能反射特定波长的光，呈现出五彩斑斓的结构色。这类液晶在温度敏感材料、彩色显示、偏光器等方面有重要应用。
🔺胆甾型液晶示意图（图片来源：[1]）
除了这三类，还有其他更复杂的液晶结构，但在显示器中，向列型液晶是绝对的主角。它的灵活性、可控性以及响应速度，使其成为液晶屏幕的理想材料。
液晶显示器的原理
了解了液晶的性质，接下来就要回答核心问题：液晶为什么能用来做显示器？答案在于它对光线的“控制力”。液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）的基本原理是：利用液晶分子在电场作用下改变排列方向，进而控制光的透过与否，形成明暗对比和色彩。
01
偏振光与液晶分子
LCD的每个像素实际上是由液晶夹在两片偏振片之间组成的。当没有电压时，液晶分子按照预设的螺旋结构排列，使入射的偏振光经过液晶层时逐渐扭转方向，最终能够通过第二片偏振片，像素显示为亮态。
🔺LCD工作原理图（图片来源：[6]）
当施加电压时，电场会迫使液晶分子整齐地竖直排列，偏振光无法再被扭转方向，因此被第二片偏振片阻挡，像素显示为暗态。通过这种方式，液晶实现了对光线通断的精确控制。
02
彩色显示的秘密
液晶本身并不发光，它需要背光源（通常是LED）提供光线。为了显示颜色，LCD在每个像素上覆盖红、绿、蓝三种彩色滤光片，通过控制三基色的亮度组合，生成丰富的色彩。比如红色和绿色同时亮就显示黄色，三色全亮就是白色。
🔺液晶显示器彩色显示的原理（图片来源：[5]）
03
灰度和刷新
显示器不仅要显示黑白，还要呈现不同的灰度甚至动态画面。这就需要通过调整电压的大小，改变液晶分子扭转角度，精确控制光线透过率。每秒钟，数百万个像素都在高速响应电信号，才能呈现我们熟悉的画面。
液晶从实验室的奇特现象，走进了我们日常生活的屏幕世界，它的独特分子排列和电光效应让信息显示变得轻巧而高效。正在盯着手机屏幕玩手机的你，不妨停下来想一想，这片薄薄的屏幕里，隐藏着多少科学智慧。
参考文献
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[2]https://mp.weixin.qq.com/s/DyCfV9ix5Vvg4-mtzGJ5cA
[3]https://advlabs.aapt.org/wiki/Physics_of_Liquid_Crystals
[4]https://www.alternator.science/sl/daljse/liquid-crystals-the-beautiful-state-of-matter/
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/7XjH4C59U_1k6d1H66MqWw
[6]https://mp.weixin.qq.com/s/a7s1u6vnbS-w35dR6uik_g
[7]王边杰.简述液晶显示器的工作原理[J].家电检修技术,2009,(04):17-18.
[8]金红莉,孙彦.液晶显示屏的工作原理简介[J].信息记录材料,2018,19(10):229-231.
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来源：力学科普
编辑：网络科普部 吴昂
审核：网络科普部 艺雯返回搜狐，查看更多