ผลึกเหลว ( LC ) เป็นสถานะของสสารที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างของเหลว ทั่วไป และผลึกของแข็ง มีเฟสของผลึกเหลวหลายประเภทซึ่งสามารถจำแนกได้ตามรูปร่างโมเลกุลของหน่วยย่อย การจัดเรียงและสมมาตรของเฟส ตลอดจนวิธีการเข้าถึงเฟสผลึกเหลว^{[ 1 ]}โมเลกุลที่สามารถเข้าถึงเมโซเฟส ของผลึกเหลวได้ เรียกว่า เม โซเจน^{[ 2 ]}เช่นเดียวกับในของแข็งผลึก การเรียงตัวที่มีอยู่ในผลึกเหลวทำให้เกิด คุณสมบัติทางแสง ไฟฟ้า และแม่เหล็กแบบ ไม่สมมาตรความไม่สมมาตรคล้ายผลึกควบคู่ไปกับการตอบสนองต่อสิ่งเร้าและการไหลแบบของเหลวทำให้ผลึกเหลวมีประโยชน์ในการใช้งานในจอแสดงผล (โดยเฉพาะจอแสดงผลผลึกเหลว ) เซ็นเซอร์ และ หุ่น ยนต์แบบอ่อนนุ่ม^{[ 3 ]}

ผลึกเหลวสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่เทอร์โมโทรปิกไลโอโทรปิกและเมทัลโลโทรปิกผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิกและไลโอโทรปิกส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมเลกุลอินทรีย์แม้ว่าจะมีแร่ธาตุบางชนิดที่พบได้เช่นกัน ผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิกแสดงการเปลี่ยนสถานะเป็นผลึกเหลวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ผลึกเหลวไลโอโทรปิกแสดงการเปลี่ยนสถานะเป็นฟังก์ชันของทั้งอุณหภูมิและความเข้มข้นของโมเลกุลในตัวทำละลาย (โดยทั่วไปคือน้ำ) ผลึกเหลวเมทัลโลโทรปิกประกอบด้วยทั้งโมเลกุลอินทรีย์และอนินทรีย์ การเปลี่ยนสถานะเป็นผลึกเหลวของผลึกเหลวชนิดนี้ยังขึ้นอยู่กับอัตราส่วนขององค์ประกอบอนินทรีย์และอินทรีย์ด้วย

ตัวอย่างของ LC มีอยู่ทั้งในโลกธรรมชาติและในการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยี LC แบบไลโอโทรปิกมีอยู่มากมายในระบบสิ่งมีชีวิต โปรตีนและเยื่อหุ้มเซลล์หลายชนิดเป็น LC เช่นเดียวกับไวรัสโมเสกยาสูบ [ ^{4 ] LC}ในโลกของแร่ธาตุ ได้แก่ สารละลายของสบู่ และ ผงซักฟอกที่เกี่ยวข้องต่างๆและดินเหนียว บางชนิด จอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) ที่แพร่หลายใช้คริสตัลเหลว

ในปี ค.ศ. 1888 ฟรีดริช ไรนิทเซอร์ นักสรีรวิทยาพฤกษศาสตร์ชาวออสเตรียซึ่งทำงานอยู่ที่มหาวิทยาลัยคาร์ล-เฟอร์ดินานด์ได้ตรวจสอบคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของอนุพันธ์ ต่างๆ ของคอเลสเตอรอลซึ่งปัจจุบันจัดอยู่ในกลุ่มวัสดุที่เรียกว่าผลึกเหลวคอเลสเตอริกก่อนหน้านี้ นักวิจัยคนอื่นๆ เคยสังเกตเห็นปรากฏการณ์สีที่แตกต่างกันเมื่อทำให้สารอนุพันธ์ของคอเลสเตอรอลเย็นลงที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเยือกแข็ง เล็กน้อย แต่ไม่ได้เชื่อมโยงปรากฏการณ์นี้กับปรากฏการณ์ใหม่ ไรนิทเซอร์พบว่าการเปลี่ยนแปลงสีในอนุพันธ์คอเลสเตอริลเบนโซเอตนั้นไม่ใช่ลักษณะที่แปลกประหลาดที่สุด

เขาพบว่าคอเลสเตอรอลเบนโซเอตไม่หลอมเหลวในลักษณะเดียวกับสารประกอบอื่นๆ แต่มีจุดหลอมเหลว สอง จุด ที่อุณหภูมิ 145.5 องศาเซลเซียส (293.9 องศาฟาเรนไฮต์) มันจะหลอมเหลวกลายเป็นของเหลวขุ่น และที่อุณหภูมิ 178.5 องศาเซลเซียส (353.3 องศาฟาเรนไฮต์) มันจะหลอมเหลวอีกครั้งและของเหลวขุ่นจะกลายเป็นใส ปรากฏการณ์นี้สามารถย้อนกลับได้ เพื่อขอความช่วยเหลือจากนักฟิสิกส์ในวันที่ 14 มีนาคม ค.ศ. 1888 เขาจึงเขียนจดหมายถึงออตโต เลห์มันน์ซึ่งในขณะนั้นเป็นอาจารย์พิเศษในเมืองอาเคินพวกเขาแลกเปลี่ยนจดหมายและตัวอย่างกัน เลห์มันน์ตรวจสอบของเหลวขุ่นที่เป็นสารตัวกลางและรายงานว่าพบผลึก ฟอนเซฟาโรวิช เพื่อนร่วมงานชาวเวียนนาของไรนิทเซอร์ก็ระบุว่า "ของเหลว" ตัวกลางนั้นเป็นผลึกเช่นกัน การแลกเปลี่ยนจดหมายกับเลห์มันน์สิ้นสุดลงในวันที่ 24 เมษายน โดยยังมีคำถามอีกมากมายที่ยังไม่ได้รับคำตอบ Reinitzer นำเสนอผลลัพธ์ของเขา โดยให้เครดิตแก่ Lehmann และ von Zepharovich ในการประชุมของสมาคมเคมีเวียนนาเมื่อวันที่ 3 พฤษภาคม พ.ศ. 2431 ^{[ 5 ]}

ในเวลานั้น ไรนิทเซอร์ได้ค้นพบและอธิบายคุณสมบัติสำคัญสามประการของผลึกเหลวคอเลสเตอริก (ชื่อที่ออตโต เลห์มันน์ตั้งขึ้นในปี 1904) ได้แก่ การมีจุดหลอมเหลวสองจุด การสะท้อนแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมและความสามารถในการหมุนทิศทางโพลาไรซ์ของแสง

หลังจากการค้นพบโดยบังเอิญ Reinitzer ไม่ได้ศึกษาผลึกเหลวต่อไปอีก การวิจัยจึงดำเนินต่อไปโดย Lehmann ซึ่งตระหนักว่าเขาได้พบปรากฏการณ์ใหม่และอยู่ในตำแหน่งที่สามารถตรวจสอบได้: ในช่วงหลังปริญญาเอก เขาได้สั่งสมความเชี่ยวชาญด้านผลึกศาสตร์และกล้องจุลทรรศน์ Lehmann เริ่มการศึกษาอย่างเป็นระบบ โดยเริ่มจาก cholesteryl benzoate จากนั้นจึงศึกษาสารประกอบที่เกี่ยวข้องซึ่งแสดงปรากฏการณ์การหลอมเหลวสองครั้ง เขาสามารถสังเกตการณ์ด้วยแสงโพลาไรซ์ได้และกล้องจุลทรรศน์ของเขามีแท่นร้อน (ที่ยึดตัวอย่างที่มีเครื่องทำความร้อน) ทำให้สามารถสังเกตการณ์ที่อุณหภูมิสูงได้ เฟสขุ่นระดับกลางแสดงให้เห็นถึงการไหลอย่างชัดเจน แต่ลักษณะอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งลักษณะที่ปรากฏภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ทำให้ Lehmann เชื่อว่าเขากำลังศึกษาของแข็ง ภายในสิ้นเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2432 เขาได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยของเขาในZeitschrift für Physikalische Chemie ^{[ 6 ]}

งานของเลห์มันน์ได้รับการสานต่อและขยายผลอย่างมากโดยนักเคมีชาวเยอรมันดาเนียล โวร์แลนเดอร์ซึ่งตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 จนกระทั่งเกษียณอายุในปี 1935 ได้สังเคราะห์ผลึกเหลวส่วนใหญ่ที่รู้จักกัน อย่างไรก็ตาม ผลึกเหลวไม่เป็นที่นิยมในหมู่นักวิทยาศาสตร์ และวัสดุนี้ยังคงเป็นเพียงสิ่งแปลกใหม่ทางวิทยาศาสตร์เป็นเวลาประมาณ 80 ปี^{[ 7 ]}

หลังสงครามโลกครั้งที่สอง งานวิจัยเกี่ยวกับการสังเคราะห์ผลึกเหลวได้เริ่มต้นขึ้นอีกครั้งในห้องปฏิบัติการวิจัยของมหาวิทยาลัยในยุโรปจอร์จ วิลเลียม เกรย์นักวิจัยผลึกเหลวที่มีชื่อเสียง ได้เริ่มศึกษาวัสดุเหล่านี้ในอังกฤษในช่วงปลายทศวรรษ 1940 กลุ่มของเขาได้สังเคราะห์วัสดุใหม่หลายชนิดที่แสดงสถานะผลึกเหลว และพัฒนาความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีการออกแบบโมเลกุลที่แสดงสถานะดังกล่าว หนังสือของเขาเรื่องMolecular Structure and the Properties of Liquid Crystals ^{[ 8 ]}กลายเป็นคู่มือในเรื่องนี้ นักเคมีชาวอเมริกันคนแรกๆ ที่ศึกษาผลึกเหลวคือ เกล็น เอช. บราวน์ เริ่มต้นในปี 1953 ที่มหาวิทยาลัยซินซินเนติและต่อมาที่มหาวิทยาลัยเคนต์สเตทในปี 1965 เขาได้จัดงานประชุมนานาชาติครั้งแรกเกี่ยวกับผลึกเหลวขึ้นที่เมืองเคนต์ รัฐโอไฮโอ โดยมีนักวิทยาศาสตร์ด้านผลึกเหลวชั้นนำของโลกประมาณ 100 คนเข้าร่วม การประชุมครั้งนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของความพยายามทั่วโลกในการทำการวิจัยในสาขานี้ ซึ่งในไม่ช้าก็นำไปสู่การพัฒนาการใช้งานจริงสำหรับวัสดุที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านี้^{[ 9 ] [ 10 ]}

วัสดุผลึกเหลวกลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยในการพัฒนาจอแสดงผลอิเล็กทรอนิกส์แบบแบนราบตั้งแต่ปี 1962 ที่ห้องปฏิบัติการRCA ^{[ 11 ]}เมื่อนักเคมีฟิสิกส์ Richard Williams ใช้สนามไฟฟ้ากับชั้นบางๆ ของ ผลึกเหลว เนมาติกที่อุณหภูมิ 125 °C เขาได้สังเกตเห็นการก่อตัวของรูปแบบปกติที่เขาเรียกว่าโดเมน (ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อโดเมนวิลเลียมส์) ^{[ 12 ]}สิ่งนี้ทำให้เพื่อนร่วมงานของเขาGeorge H. Heilmeierทำการวิจัยเกี่ยวกับจอแสดงผลแบบแบนราบที่ใช้ผลึกเหลวเพื่อทดแทนหลอดสุญญากาศรังสีแคโทดที่ใช้ในโทรทัศน์ แต่พารา-อะซอกซีอะนิโซลที่วิลเลียมส์และไฮล์ไมเออร์ใช้แสดงสถานะผลึกเหลวเนมาติกเฉพาะที่อุณหภูมิสูงกว่า 116 °C ซึ่งทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์จอแสดงผลเชิงพาณิชย์ได้ จึงจำเป็นต้องมีวัสดุที่สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิห้องอย่างชัดเจน

ในปี พ.ศ. 2509 โจเอล อี. โกลด์มาเชอร์ และโจเซฟ เอ. คาสเตลลาโน นักเคมีวิจัยในกลุ่มไฮล์ไมเออร์ที่ RCA ค้นพบว่าสารผสมที่ทำจากสารประกอบเนมาติกโดยเฉพาะ ซึ่งแตกต่างกันเฉพาะจำนวนอะตอมคาร์บอนในโซ่ด้านข้างปลายสุดเท่านั้น สามารถสร้างผลึกเหลวเนมาติกที่อุณหภูมิห้องได้ สารผสมไตรภาคของ สารประกอบ ชิฟฟ์เบสส่งผลให้ได้วัสดุที่มีช่วงเนมาติก 22–105 °C ^{[ 13 ]}การทำงานที่อุณหภูมิห้องทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์แสดงผลที่ใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรก^{[ 14 ]}จากนั้นทีมงานได้ดำเนินการเตรียมสารผสมของสารประกอบเนมาติกจำนวนมาก ซึ่งหลายชนิดมีจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่ามาก เทคนิคการผสมสารประกอบเนมาติกเพื่อให้ได้ ช่วง อุณหภูมิการทำงาน ที่กว้างขึ้น นี้ในที่สุดก็กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมและยังคงใช้ในการปรับแต่งวัสดุให้ตรงตามการใช้งานเฉพาะ

ในปี พ.ศ. 2512 ฮันส์ เคลเลอร์ ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์สารที่มีเฟสเนมาติกที่อุณหภูมิห้อง คือN-(4-methoxybenzylidene)-4-butylaniline (MBBA) ซึ่งเป็นหนึ่งในหัวข้อที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในการวิจัยผลึกเหลว^{[ 15 ]}ขั้นตอนต่อไปในการนำจอแสดงผลผลึกเหลวมาใช้ในเชิงพาณิชย์คือการสังเคราะห์สารที่มีความเสถียรทางเคมีเพิ่มเติม (ไซยาโนไบฟีนิล) ที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำโดยจอร์จ เกรย์ [ ^{16 ] งาน}ที่ทำร่วมกับเคน แฮร์ริสันและกระทรวงกลาโหมของสหราชอาณาจักร ( RRE Malvern ) ในปี พ.ศ. 2516 นำไปสู่การออกแบบวัสดุใหม่ ส่งผลให้มีการนำ LCD ขนาดเล็กมาใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างรวดเร็ว

โมเลกุลเหล่านี้มีรูปร่างเป็นแท่ง บางส่วนสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการและบางส่วนปรากฏขึ้นเองตามธรรมชาติ นับตั้งแต่นั้นมา ได้มีการสังเคราะห์โมเลกุล LC ขึ้นใหม่ 2 ชนิด ได้แก่รูปทรงแผ่นดิสก์ (โดยSivaramakrishna Chandrasekharในอินเดียในปี 1977) ^{[ 17 ]}และรูปทรงกรวยหรือชาม (ทำนายโดย Lui Lam ในประเทศจีนในปี 1982 และสังเคราะห์ขึ้นในยุโรปในปี 1985) ^{[ 18 ]}

ในปี พ.ศ. 2534 เมื่อจอแสดงผลคริสตัลเหลวได้รับการพัฒนาอย่างดีแล้วปิแอร์-ฌิลส์ เดอ เฌเนส์ซึ่งทำงานอยู่ที่มหาวิทยาลัยปารีส-ซูดได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ "จากการค้นพบว่าวิธีการที่พัฒนาขึ้นเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ลำดับในระบบที่เรียบง่ายสามารถนำไปใช้กับสสารในรูปแบบที่ซับซ้อนกว่าได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคริสตัลเหลวและพอลิเมอร์" ^{[ 19 ]}

สารประกอบทางเคมีจำนวนมากเป็นที่ทราบกันว่าแสดงเฟสผลึกเหลวหนึ่งเฟสหรือหลายเฟส แม้จะมีความแตกต่างกันอย่างมากในองค์ประกอบทางเคมี แต่โมเลกุลเหล่านี้ก็มีคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพที่เหมือนกันอยู่บ้าง ผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิกมีสามประเภท ได้แก่ ดิสโคติก คอนิก (ทรงชาม) และโมเลกุลรูปแท่ง ดิสโคติกเป็นโมเลกุลรูปแผ่นดิสก์ที่ประกอบด้วยแกนแบนของวงแหวนอะโรมาติกที่อยู่ติดกัน ในขณะที่แกนในผลึกเหลวคอนิกไม่ได้แบน แต่มีรูปร่างเหมือนชามข้าว (วัตถุสามมิติ) ^{[ 20 ] [ 21 ]}ซึ่งช่วยให้เกิดการเรียงตัวแบบคอลัมน์สองมิติสำหรับทั้งผลึกเหลวดิสโคติกและคอนิก โมเลกุลรูปแท่งมีรูปทรงเรขาคณิตที่ยาวและไม่สมมาตร ซึ่งช่วยให้เกิดการจัดเรียงตัวตามทิศทางเชิงพื้นที่หนึ่งทิศทาง โดยเฉพาะ

• รูปร่างของโมเลกุลควรค่อนข้างบาง แบน หรือเป็นรูปทรงกรวย โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในโครงสร้างโมเลกุลที่แข็งแรง
• ความยาวโมเลกุลควรมีอย่างน้อย 1.3 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับการมีอยู่ของหมู่แอลคิลยาวในผลึกเหลวหลายชนิดที่อุณหภูมิห้อง
• โครงสร้างไม่ควรแตกแขนงหรือเป็นเหลี่ยมมุม ยกเว้น LC รูปทรงกรวย
• จุดหลอมเหลวต่ำเป็นที่ต้องการเพื่อหลีกเลี่ยงเฟสผลึกเหลวแบบโมโนโทรปิกที่ไม่เสถียร พฤติกรรมเมโซมอร์ฟิกที่อุณหภูมิต่ำโดยทั่วไปมีประโยชน์ทางเทคโนโลยีมากกว่า และหมู่ปลายอัลคิลช่วยส่งเสริมพฤติกรรมนี้

รูปร่างที่ขยายออกไป มีโครงสร้างที่แข็งแรง และมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันสูง ดูเหมือนจะเป็นเกณฑ์หลักสำหรับพฤติกรรมของผลึกเหลว และเป็นผลให้วัสดุผลึกเหลวจำนวนมากมีพื้นฐานมาจากวงแหวนเบนซีน^{[ 22 ]}

เฟสของผลึกเหลวต่างๆ (เรียกว่าเมโซเฟสร่วมกับ เฟส ผลึกพลาสติก ) สามารถจำแนกได้ตามประเภทของการเรียงตัว สามารถแยกแยะได้ระหว่างการเรียงตัวตามตำแหน่ง (ไม่ว่าโมเลกุลจะเรียงตัวเป็นโครงตาข่ายที่มีระเบียบแบบใด) และการเรียงตัวตามทิศทาง (ไม่ว่าโมเลกุลส่วนใหญ่จะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน) ผลึกเหลวมีลักษณะเฉพาะคือการเรียงตัวตามทิศทาง แต่มีการเรียงตัวตามตำแหน่งเพียงบางส่วนหรือไม่มีเลย ในทางตรงกันข้าม วัสดุที่มีการเรียงตัวตามตำแหน่งแต่ไม่มีการเรียงตัวตามทิศทางเรียกว่าผลึกพลาสติก^{[ 23 ]} ผลึกเหลว เทอร์โมโทรปิกส่วนใหญ่จะมีเฟส ไอโซ โทรปิกที่อุณหภูมิสูง การให้ความร้อนจะทำให้ผลึกเหลวเปลี่ยนไปเป็นเฟสของเหลวทั่วไปซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเรียงตัวของโมเลกุลแบบสุ่มและไอโซโทรปิก และ พฤติกรรมการไหลคล้าย ของเหลว ภาย ใต้เงื่อนไขอื่นๆ (เช่น อุณหภูมิต่ำกว่า) ผลึกเหลวอาจอยู่ในเฟสหนึ่งหรือมากกว่านั้นที่มี โครงสร้างการวางแนวแบบ แอนไอโซโทรปิก ที่สำคัญ และการเรียงตัวตามทิศทางระยะสั้น ในขณะที่ยังคงมีความสามารถในการไหล^{[ 24 ] [ 25 ]}

การเรียงตัวของผลึกเหลวขยายไปถึงขนาดโดเมนทั้งหมด ซึ่งอาจอยู่ในระดับไมโครเมตร แต่โดยปกติแล้วจะไม่ถึงระดับมหภาคอย่างที่มักเกิดขึ้นใน ของแข็ง ผลึก แบบคลาสสิก อย่างไรก็ตาม เทคนิคบางอย่าง เช่น การใช้ขอบเขตหรือสนามไฟฟ้า ที่ ใช้ สามารถใช้เพื่อบังคับให้เกิดโดเมนที่มีการเรียงตัวเพียงโดเมนเดียวในตัวอย่างผลึกเหลวระดับมหภาค^{[ 26 ]}การเรียงตัวตามทิศทางในผลึกเหลวอาจขยายไปตามมิติ เดียวเท่านั้น โดยที่วัสดุนั้นโดยพื้นฐานแล้วไม่มีระเบียบในอีกสองทิศทาง^{[ 27 ] [ 28 ]}

เฟสเทอร์โมโทรปิกคือเฟสที่เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด หากอุณหภูมิสูงเกินไป การเคลื่อนที่ทางความร้อนจะทำลายการเรียงตัวแบบร่วมมือกันอย่างละเอียดอ่อนของเฟส LC ทำให้วัสดุเปลี่ยนไปเป็นเฟสของเหลวไอโซโทรปิกแบบดั้งเดิม ที่อุณหภูมิต่ำเกินไป วัสดุ LC ส่วนใหญ่จะก่อตัวเป็นผลึกแบบดั้งเดิม^{[ 24 ] [ 25 ]} LC เทอร์โมโทรปิกหลายชนิดแสดงเฟสที่หลากหลายเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น โมเลกุล LC ชนิดหนึ่ง (เรียกว่าเมโซเจน ) อาจแสดงเฟสสมิกติกต่างๆ ตามด้วยเฟสเนมาติก และสุดท้ายคือเฟสไอโซโทรปิกเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่างของสารประกอบที่แสดงพฤติกรรม LC เทอร์โมโทรปิกคือพารา-อะซอกซีอะนิโซล^{[ 29 ]}

เฟสผลึกเหลวที่ง่ายที่สุดคือเฟสเนมาติก ในเฟสเนมาติก โมเลกุลอินทรีย์ แบบแท่ง (calamitic) ขาดระเบียบเชิงตำแหน่งแบบผลึก แต่จะจัดเรียงตัวเองโดยให้แกนยาวขนานกันโดยประมาณ โมเลกุลสามารถไหลได้อย่างอิสระ และตำแหน่งศูนย์กลางมวลของพวกมันจะกระจายแบบสุ่มเช่นเดียวกับในของเหลว แต่การวางแนวของพวกมันถูกจำกัดเพื่อสร้างระเบียบเชิงทิศทางในระยะยาว^{[ 30 ]}

คำว่าเนมาติก (nematic)มาจากภาษากรีกνήμα ( กรีก : nema ) ซึ่งหมายถึง "เส้นด้าย" คำนี้มีที่มาจากดิสคลิเนชัน (disclinations ) ซึ่ง เป็นข้อบกพร่องทางโทโพโลยีที่มีลักษณะคล้ายเส้นด้ายที่พบในเฟสเนมาติก

นอกจากนี้ เนมาติกส์ยังแสดง ข้อบกพร่องทางทอพอโลยีที่เรียกว่า "เม่น" อีกด้วยในสองมิติ มีข้อบกพร่องทางทอพอโลยีที่มีประจุทางทอพอโลยี +1/2และ -​​1/2เนื่องจากหลักอุทกพลศาสตร์ +1/2ข้อ บกพร่อง เคลื่อนที่เร็วกว่ามาก -1/2ข้อ บกพร่องเมื่อวางใกล้กัน ข้อบกพร่องจะดึงดูดกัน เมื่อชนกัน ข้อบกพร่องจะทำลายล้างกัน ^{[ 31 ] [ 32 ]}

เฟสเนมาติกส่วนใหญ่เป็นแบบแกนเดียว: มีแกนหนึ่ง (เรียกว่าไดเรกทริกซ์) ที่ยาวกว่าและเป็นที่ต้องการ ในขณะที่อีกสองแกนนั้นเท่ากัน (สามารถประมาณได้ว่าเป็นทรงกระบอกหรือแท่ง) อย่างไรก็ตาม ผลึกเหลวบางชนิดเป็นเนมาติกแบบสองแกนซึ่งหมายความว่านอกเหนือจากการวางแนวตามแกนยาวแล้ว ยังมีการวางแนวตามแกนรองอีกด้วย^{[ 33 ]}ผลึกเนมาติกมีความลื่นไหลคล้ายกับของเหลวทั่วไป (ไอโซโทรปิก) แต่สามารถจัดเรียงได้ง่ายด้วยสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าภายนอก เนมาติกที่จัดเรียงแล้วมีคุณสมบัติทางแสงของผลึกแบบแกนเดียว และทำให้มีประโยชน์อย่างมากในจอแสดงผลผลึกเหลว (LCD) ^{[ 11 ]}

เฟสเนมาติกยังเป็นที่รู้จักในระบบที่ไม่ใช่โมเลกุลด้วย: ที่สนามแม่เหล็กสูง อิเล็กตรอนจะไหลเป็นกลุ่มหรือเป็นแถบเพื่อสร้างสสารในรูปแบบ "อิเล็กทรอนิกส์เนมาติก" ^{[ 34 ] [ 35 ]}

เฟสสเมกติกซึ่งพบได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าเฟสเนมาติกนั้น ก่อตัวเป็นชั้นที่มีขอบเขตชัดเจนซึ่งสามารถเลื่อนไปมาระหว่างกันได้ในลักษณะคล้ายกับสบู่ คำว่า "สเมกติก" มาจากคำภาษาละติน "smecticus" ซึ่งหมายถึงการทำความสะอาด หรือมีคุณสมบัติคล้ายสบู่^{[ 36 ]} ดังนั้นสเมกติกจึงมีการเรียงตัวตามตำแหน่งในทิศทางเดียว ในเฟสสเมกติก A โมเลกุลจะเรียงตัวตามแนวตั้งฉากของชั้น ในขณะที่ในเฟสสเมกติก C โมเลกุลจะเอียงออกจากแนวตั้งฉาก เฟสเหล่านี้มีลักษณะคล้ายของเหลวภายในชั้น มีเฟสสเมกติกที่แตกต่างกันมากมาย ซึ่งแต่ละเฟสมีลักษณะเฉพาะด้วยประเภทและระดับของการเรียงตัวตามตำแหน่งและการวางแนวที่แตกต่างกัน^{[ 24 ] [ 25 ]}นอกเหนือจากโมเลกุลอินทรีย์แล้ว ยังมีรายงานว่าการเรียงตัวแบบสเมกติกเกิดขึ้นภายในสารแขวนลอยคอลลอยด์ของวัสดุ 2 มิติหรือนาโนชีท^{[ 37 ] [ 38 ]}ตัวอย่างหนึ่งของ LC สเมกติกคือp,p ' -dinonylazobenzene ^{[ 39 ]}

เฟส ไครัล เนมาติก แสดงไครัลลิตี้ (ความเป็นมือซ้ายหรือมือขวา) เฟสนี้มักเรียกว่า เฟส คอเลสเตอริกเนื่องจากพบครั้งแรกในอนุพันธ์ของคอเลสเตอรอลมีเพียงโมเลกุลไครัล เท่านั้น ที่สามารถก่อให้เกิดเฟสดังกล่าวได้ เฟสนี้แสดงการบิดของโมเลกุลในแนวตั้งฉากกับไดเรกเตอร์ โดยแกนโมเลกุลขนานกับไดเรกเตอร์ มุมบิดที่จำกัดระหว่างโมเลกุลที่อยู่ติดกันเกิดจากการบรรจุแบบไม่สมมาตร ซึ่งส่งผลให้เกิดลำดับไครัลในระยะยาว ในเฟสสมิกติก C* (เครื่องหมายดอกจันแสดงถึงเฟสไครัล) โมเลกุลมีการเรียงตัวตามตำแหน่งในโครงสร้างแบบชั้น (เช่นเดียวกับเฟสสมิกติกอื่นๆ) โดยโมเลกุลเอียงด้วยมุมที่จำกัดเมื่อเทียบกับแนวตั้งฉากของชั้น ไครัลลิตี้ทำให้เกิดการบิดอะซิมุทที่จำกัดจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง ทำให้เกิดการบิดแบบเกลียวของแกนโมเลกุลตามแนวตั้งฉากของชั้น ดังนั้นจึงเรียกว่าเนมาติกบิดด้วย เช่นกัน ^{[ 25 ] [ 27 ] [ 28 ]}

ระยะห่างไครัล p หมายถึงระยะทางที่โมเลกุล LC หมุนครบ 360° (แต่โปรดทราบว่าโครงสร้างของเฟสไครัลเนมาติกจะซ้ำกันทุกครึ่งระยะห่าง เนื่องจากในเฟสนี้ ไดเรกเตอร์ที่ 0° และ ±180° มีค่าเท่ากัน) ระยะห่าง p โดยทั่วไปจะเปลี่ยนแปลงเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงหรือเมื่อมีการเพิ่มโมเลกุลอื่นลงในโฮสต์ LC (วัสดุโฮสต์ LC ที่ไม่มีไครัลจะก่อตัวเป็นเฟสไครัลหากถูกเจือด้วยวัสดุไครัล) ทำให้สามารถปรับระยะห่างของวัสดุที่กำหนดได้ตามต้องการ ในระบบผลึกเหลวบางระบบ ระยะห่างจะมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ซึ่งทำให้ระบบเหล่านี้แสดงคุณสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์ เช่นการสะท้อนแบบแบร็ก และ การปล่อยเลเซอร์ที่มีเกณฑ์ต่ำ^{[ 40 ]}และคุณสมบัติเหล่านี้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในการใช้งานทางแสงหลายอย่าง^{[ 7 ] [ 27 ]}สำหรับกรณีการสะท้อนแบบแบร็ก จะอนุญาตเฉพาะการสะท้อนลำดับต่ำสุดเท่านั้น หากแสงตกกระทบตามแกนเกลียว ในขณะที่การตกกระทบแบบเฉียงจะอนุญาตการสะท้อนลำดับสูงกว่า ผลึกเหลวคอเลสเตอริกยังแสดงคุณสมบัติเฉพาะตัวที่สะท้อนแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมเมื่อตกกระทบตามแกนเกลียว และสะท้อนแสงโพลาไรซ์แบบวงรีหากตกกระทบแบบเฉียง^{[ 41 ]}

เฟสสีน้ำเงินเป็นเฟสของผลึกเหลวที่ปรากฏในช่วงอุณหภูมิระหว่าง เฟสไค รัลเนมาติก และ เฟสของเหลวไอโซ โทรปิกเฟสสีน้ำเงินมีโครงสร้างลูกบาศก์สามมิติปกติของข้อบกพร่องที่มี คาบ แลตติสหลายร้อยนาโนเมตร ดังนั้นจึงแสดงการสะท้อนของแบร็ก แบบเลือก ในช่วงความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ซึ่งสอดคล้องกับแลตติสลูกบาศก์มีการทำนายทางทฤษฎีในปี 1981 ว่าเฟสเหล่านี้สามารถมีสมมาตรไอโคซาเฮดรัลคล้ายกับควาซิค รัสตัล ได้^{[ 43 ] [ 44 ]}

แม้ว่าเฟสสีน้ำเงินจะเป็นที่น่าสนใจสำหรับตัวปรับแสงเร็วหรือผลึกโฟตอนิก ที่ปรับได้ แต่เฟสเหล่านี้มีอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่แคบมาก โดยปกติจะน้อยกว่าไม่กี่เคลวินเมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการสาธิตการทำให้เฟสสีน้ำเงินมีเสถียรภาพในช่วงอุณหภูมิมากกว่า 60 K รวมถึงอุณหภูมิห้อง (260–326 K) ^{[ 45 ] [ 46 ]}เฟสสีน้ำเงินที่มีเสถียรภาพที่อุณหภูมิห้องช่วยให้สามารถสลับทางไฟฟ้าเชิงแสงได้ด้วยเวลาตอบสนองประมาณ 10 ⁻⁴  วินาที^{[ 47 ]}ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2551 แผง LCD โหมดเฟสสีน้ำเงิน ตัวแรก ได้รับการพัฒนาขึ้น^{[ 48 ]}

ผลึกเฟสสีน้ำเงิน ซึ่งเป็นโครงสร้างลูกบาศก์เป็นระยะที่มีช่องว่างแถบในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นผลึกโฟตอนิก 3 มิติการผลิตผลึกเฟสสีน้ำเงินในอุดมคติในปริมาณมากยังคงเป็นปัญหา เนื่องจากผลึกที่ผลิตได้มักจะเป็นผลึกหลายผลึก (โครงสร้างแผ่น) หรือขนาดของผลึกเดี่ยวมีจำกัด (อยู่ในช่วงไมโครเมตร) เมื่อเร็วๆ นี้ เฟสสีน้ำเงินที่ได้เป็นผลึกโฟตอนิก 3 มิติในอุดมคติในปริมาณมากได้รับการทำให้เสถียรและผลิตด้วยทิศทางการวางแนวของโครงสร้างผลึกที่ควบคุมได้แตกต่างกัน^{[ 49 ]}

โมเลกุลของผลึกเหลว (LC) รูปทรงแผ่นดิสก์สามารถเรียงตัวเป็นชั้นๆ ในลักษณะที่เรียกว่าเฟสเนมาติกแบบแผ่นดิสก์ (discotic nematic phase) หากแผ่นดิสก์เหล่านี้เรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ เฟสนั้นจะเรียกว่าเฟสคอลัมน์แบบแผ่นดิสก์ (discotic columnar phase) คอลัมน์เหล่านี้อาจจัดเรียงตัวเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือหกเหลี่ยมก็ได้ นอกจากนี้ยังมีเฟสแบบแผ่นดิสก์ไครัล (chiral discotic phases) ซึ่งคล้ายกับเฟสเนมาติกไครัล (chiral nematic phase) อีกด้วย

โมเลกุล LC ทรงกรวย เช่นในดิสโคติกส์ สามารถสร้างเฟสแบบคอลัมน์ได้ เฟสอื่นๆ เช่น เนมาติกแบบไม่มีขั้ว เนมาติกแบบมีขั้ว เฟสแบบเส้นถั่ว เฟสแบบโดนัท และเฟสแบบหัวหอม ได้รับการทำนายไว้แล้ว เฟสทรงกรวย ยกเว้นเนมาติกแบบไม่มีขั้ว เป็นเฟสแบบมีขั้ว^{[ 50 ]}

ผลึกเหลวไลโอโทรปิกประกอบด้วยส่วนประกอบสองส่วนขึ้นไปที่แสดงคุณสมบัติของผลึกเหลวในช่วงความเข้มข้นที่กำหนด ในเฟสไลโอโทรปิก โมเลกุล ของตัวทำละลายจะเติมเต็มพื้นที่รอบๆ สารประกอบเพื่อให้ระบบมีความลื่นไหล^{[ 51 ]}เมื่อเปรียบเทียบกับผลึกเหลวเทอร์โมโทรปิก ไลโอโทรปิกเหล่านี้มีระดับความเป็นอิสระของความเข้มข้นอีกระดับหนึ่งที่ทำให้สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดเฟสต่างๆ ได้หลากหลาย

สารประกอบที่มีส่วนประกอบสองส่วนที่ไม่สามารถผสมกันได้ คือส่วนที่ชอบ น้ำและ ส่วนที่ ไม่ชอบน้ำอยู่ภายในโมเลกุลเดียวกัน เรียกว่า โมเลกุลแอมฟิฟิ ลิก โมเลกุลแอมฟิฟิลิกหลายชนิดแสดงลำดับเฟสผลึกเหลวแบบไลโอโทรปิก ขึ้นอยู่กับความสมดุลของปริมาตรระหว่างส่วนที่ชอบน้ำและส่วนที่ไม่ชอบน้ำ โครงสร้างเหล่านี้เกิดขึ้นจากการแยกเฟสระดับจุลภาคของส่วนประกอบสองชนิดที่ไม่เข้ากันในระดับนาโนเมตร สบู่เป็นตัวอย่างหนึ่งของผลึกเหลวแบบไลโอโทรปิกที่พบได้ทั่วไปในชีวิตประจำวัน

ปริมาณน้ำหรือโมเลกุลตัวทำละลายอื่นๆ จะเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ประกอบขึ้นเอง ที่ความเข้มข้นของแอมฟิฟิลต่ำมาก โมเลกุลจะกระจายตัวแบบสุ่มโดยไม่มีการจัดเรียงใดๆ ที่ความเข้มข้นสูงขึ้นเล็กน้อย (แต่ยังคงต่ำ) โมเลกุลแอมฟิฟิลจะรวมตัวกันเองเป็นไมเซลล์หรือเวสิเคิลเพื่อ "ซ่อน" ส่วนหางที่ชอบน้ำของแอมฟิฟิลไว้ภายในแกนกลางของไมเซลล์ ทำให้พื้นผิวที่ชอบน้ำ (ละลายน้ำได้) สัมผัสกับสารละลายในน้ำ อย่างไรก็ตาม วัตถุทรงกลมเหล่านี้จะไม่จัดเรียงตัวในสารละลาย ที่ความเข้มข้นสูงขึ้น การรวมตัวกันจะเริ่มมีการจัดเรียงตัว เฟสทั่วไปคือเฟสคอลัมน์หกเหลี่ยม ซึ่งแอมฟิฟิลจะก่อตัวเป็นทรงกระบอกยาว (โดยมีพื้นผิวที่ชอบน้ำ) เรียงตัวกันเป็นโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยมโดยประมาณ เฟสนี้เรียกว่าเฟสสบู่กลาง ที่ความเข้มข้นสูงขึ้นไปอีก อาจเกิดเฟสแผ่น (เฟสสบู่บริสุทธิ์) ซึ่งแผ่นแอมฟิฟิลที่แผ่ขยายออกไปจะถูกคั่นด้วยชั้นน้ำบางๆ สำหรับบางระบบ อาจมีเฟสลูกบาศก์ (หรือเรียกว่าเฟสไอโซโทรปิกหนืด) อยู่ระหว่างเฟสหกเหลี่ยมและเฟสแผ่นบาง โดยที่ทรงกลมจะก่อตัวเป็นโครงตาข่ายลูกบาศก์หนาแน่น ทรงกลมเหล่านี้อาจเชื่อมต่อกัน ทำให้เกิดเฟสลูกบาศก์แบบต่อเนื่องสองด้าน

วัตถุที่เกิดจากสารแอมฟิฟิลมักมีรูปร่างทรงกลม (เช่น ไมเซลล์) แต่ก็อาจมีรูปร่างคล้ายแผ่นดิสก์ (ไบเซลล์) คล้ายแท่ง หรือแบบสองแกน (แกนทั้งสามของไมเซลล์แตกต่างกัน) โครงสร้างนาโนที่ประกอบตัวเองแบบไม่สมมาตรเหล่านี้สามารถเรียงตัวกันได้ในลักษณะเดียวกับผลึกเหลวแบบเทอร์โมโทรปิก ทำให้เกิดโครงสร้างขนาดใหญ่ของเฟสเทอร์โมโทรปิกทั้งหมด (เช่น เฟสเนมาติกของไมเซลล์รูปแท่ง)

สำหรับบางระบบ ที่ความเข้มข้นสูง อาจพบเฟสผกผันได้ กล่าวคือ อาจเกิดเฟสคอลัมน์หกเหลี่ยมผกผัน (คอลัมน์ของน้ำที่ถูกห่อหุ้มด้วยสารแอมฟิฟิล) หรือเฟสไมเซลล์ผกผัน (ตัวอย่างผลึกเหลวขนาดใหญ่ที่มีโพรงน้ำทรงกลม)

ลำดับขั้นทั่วไปของระยะต่างๆ โดยเริ่มจากความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวต่ำไปจนถึงสูง มีดังนี้:

• เฟสลูกบาศก์ที่ไม่ต่อเนื่อง ( เฟส ลูกบาศก์ไมเซลล์ )
• เฟสหกเหลี่ยม (เฟสคอลัมน์หกเหลี่ยม) (เฟสกลาง)
• ระยะแผ่นบาง
• เฟสลูกบาศก์แบบต่อเนื่องสอง เฟส
• เฟสคอลัมน์หกเหลี่ยมกลับด้าน
• เฟสลูกบาศก์ผกผัน (เฟสไมเซลล์ผกผัน)

แม้แต่ในเฟสเดียวกัน โครงสร้างที่ประกอบขึ้นเองของพวกมันก็สามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วยความเข้มข้น ตัวอย่างเช่น ในเฟสแบบแผ่นบาง ระยะห่างระหว่างชั้นจะเพิ่มขึ้นตามปริมาตรของตัวทำละลาย เนื่องจากผลึกเหลวแบบไลโอโทรปิกอาศัยความสมดุลที่ละเอียดอ่อนของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล จึงทำให้การวิเคราะห์โครงสร้างและคุณสมบัติของพวกมันทำได้ยากกว่าผลึกเหลวแบบเทอร์โมโทรปิก

สามารถสังเกตเห็นเฟสและลักษณะที่คล้ายคลึงกันได้ในโคพอลิเมอร์ ได บล็อก ที่ไม่สามารถผสมกันได้

เฟสผลึกเหลวยังสามารถมีพื้นฐานมาจากเฟสอนินทรีย์ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ เช่นZnCl2 ซึ่งมีโครงสร้างที่เกิดจากเตตระเฮดราที่เชื่อมต่อกันและก่อตัวเป็นแก้วได้ง่าย _การเพิ่มโมเลกุลคล้ายสบู่สายยาวจะนำไปสู่เฟสใหม่หลายเฟสที่แสดงพฤติกรรมผลึกเหลวที่หลากหลาย ทั้งในแง่ของอัตราส่วนองค์ประกอบอนินทรีย์-อินทรีย์และอุณหภูมิ วัสดุประเภทนี้ได้รับการตั้งชื่อว่าเมทัลโลโทรปิก^{[ 52 ]}

เฟสเมโซเทอร์โมโทรปิกถูกตรวจจับและระบุลักษณะโดยวิธีการหลักสองวิธี วิธีดั้งเดิมคือการใช้กล้องจุลทรรศน์เชิงแสงความ ร้อน ^{[ 53 ] [ 54 ]}โดยวางตัวอย่างวัสดุขนาดเล็กไว้ระหว่างโพลาไรเซอร์สองตัวที่ไขว้กัน จากนั้นจึงให้ความร้อนและทำให้เย็นลง เนื่องจากเฟสไอโซโทรปิกจะไม่ส่งผลกระทบต่อการโพลาไรซ์ของแสงอย่างมีนัยสำคัญ จึงจะปรากฏเป็นสีมืดมาก ในขณะที่เฟสผลึกและเฟสผลึกเหลวจะโพลาไรซ์แสงในลักษณะที่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดความสว่างและการไล่ระดับสี วิธีนี้ช่วยให้สามารถระบุลักษณะของเฟสเฉพาะได้ เนื่องจากเฟสต่างๆ ถูกกำหนดโดยลำดับเฉพาะ ซึ่งต้องสังเกต วิธีที่สองคือแคลอริเมตรีแบบสแกนเชิงอนุพันธ์ (DSC) ^{[ 53 ]}ช่วยให้สามารถกำหนดการเปลี่ยนเฟสและเอนทาลปีการเปลี่ยนเฟสได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น ใน DSC ตัวอย่างขนาดเล็กจะถูกให้ความร้อนในลักษณะที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่แม่นยำมากเมื่อเทียบกับเวลา ในระหว่างการเปลี่ยนเฟส การไหลของความร้อนที่จำเป็นในการรักษาอัตราการให้ความร้อนหรือการทำให้เย็นลงนี้จะเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถสังเกตได้และระบุสาเหตุได้จากปรากฏการณ์การเปลี่ยนสถานะต่างๆ เช่น การเปลี่ยนสถานะสำคัญของผลึกเหลว

การวิเคราะห์เมโซเฟสแบบไลโอโทรปิกก็ทำในลักษณะเดียวกัน แม้ว่าการทดลองเหล่านี้จะซับซ้อนกว่าเล็กน้อย เนื่องจากความเข้มข้นของเมโซเจนเป็นปัจจัยสำคัญ การทดลองเหล่านี้ดำเนินการที่ความเข้มข้นของเมโซเจน ต่างๆ กัน เพื่อวิเคราะห์ผลกระทบดังกล่าว

เฟสผลึกเหลวแบบไลโอโทรปิกมีอยู่มากมายในระบบสิ่งมีชีวิต ซึ่งการศึกษาเกี่ยวกับเฟสเหล่านี้เรียกว่าโพลีมอร์ฟิซึมของลิปิดดังนั้น ผลึกเหลวแบบไลโอโทรปิกจึงได้รับความสนใจเป็นพิเศษในสาขาเคมีเลียนแบบชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเยื่อชีวภาพและเยื่อหุ้มเซลล์เป็นรูปแบบหนึ่งของผลึกเหลว โมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบ (เช่นฟอสโฟลิปิด ) ตั้งฉากกับพื้นผิวของเยื่อหุ้มเซลล์ แต่เยื่อหุ้มเซลล์นั้นมีความยืดหยุ่น^{[ 55 ]}ลิปิดเหล่านี้มีรูปร่างที่แตกต่างกัน (ดูหน้าเกี่ยวกับโพลีมอร์ฟิซึมของลิปิด ) โมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบสามารถผสมผสานกันได้ง่าย แต่มีแนวโน้มที่จะไม่หลุดออกจากเยื่อหุ้มเซลล์เนื่องจากกระบวนการนี้ต้องการพลังงานสูง โมเลกุลของลิปิดสามารถพลิกจากด้านหนึ่งของเยื่อหุ้มเซลล์ไปยังอีกด้านหนึ่งได้ โดยกระบวนการนี้จะถูกเร่งปฏิกิริยาโดยฟลิปเพสและฟลอปเพส (ขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่) เฟสเมมเบรนผลึกเหลวเหล่านี้ยังสามารถเป็นที่อยู่ของโปรตีนสำคัญ เช่น ตัวรับที่ "ลอย" อยู่ภายในหรือบางส่วนอยู่ภายนอกเมมเบรน เช่น CTP:phosphocholine cytidylyltransferase (CCT)

โครงสร้างทางชีวภาพอื่นๆ อีกมากมายแสดงพฤติกรรมผลึกเหลว ตัวอย่างเช่น สารละลาย โปรตีน เข้มข้น ที่แมงมุมขับออกมาเพื่อสร้างใยไหมนั้น แท้จริงแล้วคือเฟสผลึกเหลว การเรียงตัวที่แม่นยำของโมเลกุลในใยไหมมีความสำคัญต่อความแข็งแรงอันเลื่องชื่อของใยไหม ดีเอ็นเอและพอลิเปปไทด์ หลายชนิด รวมถึงเส้นใยโครงกระดูกเซลล์ที่ถูกขับเคลื่อนอย่างแข็งขัน^{[ 56 ]}ก็สามารถก่อตัวเป็นเฟสผลึกเหลวได้เช่นกัน ชั้นโมโนเลเยอร์ของเซลล์ที่ยืดออกก็ได้รับการอธิบายว่าแสดงพฤติกรรมผลึกเหลว และข้อบกพร่องทางโทโพโลยีที่เกี่ยวข้องนั้นเชื่อมโยงกับผลที่ตามมาทางชีวภาพ รวมถึงการตายของเซลล์และการขับออก^{[ 57 ]}โดยรวมแล้ว การประยุกต์ใช้ผลึกเหลวทางชีวภาพเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญของการวิจัยทางวิชาการในปัจจุบัน

ตัวอย่างของผลึกเหลวยังสามารถพบได้ในโลกของแร่ธาตุ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบบไลโอโทรปิก การค้นพบครั้งแรกคือวาเนเดียม(V) ออกไซด์โดย Zocher ในปี 1925 ^{[ 58 ]}ตั้งแต่นั้นมา มีการค้นพบและศึกษาอย่างละเอียดเกี่ยวกับผลึกเหลวอื่นๆ อีกไม่กี่ชนิด^{[ 59 ]}การมีอยู่ของเฟสเนมาติกที่แท้จริงในกรณีของ ตระกูล ดิน เหนียวสเม กไทต์ถูกยกขึ้นโดย Langmuir ในปี 1938 ^{[ 60 ]}แต่ยังคงเป็นคำถามที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขเป็นเวลานานมาก และเพิ่งได้รับการยืนยันเมื่อไม่นานมานี้^{[ 61 ] [ 62 ]}

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของนาโนวิทยา และการสังเคราะห์อนุภาค นาโนแอนไอโซโทรปิกใหม่จำนวนมาก จำนวนของผลึกเหลวแร่ดังกล่าวจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เช่น ท่อนาโนคาร์บอนและกราฟีน แม้แต่เฟสแผ่นบางก็ยังถูกค้นพบ H ₃ Sb ₃ P ₂ O ₁₄ซึ่งแสดงการบวมตัวสูงถึง ~250 นาโนเมตรสำหรับระยะห่างระหว่างแผ่นบาง^{[ 37 ]}

ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของผลึกเหลวเป็นคุณสมบัติที่ไม่พบในของเหลวชนิดอื่น ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันนี้ทำให้การไหลของผลึกเหลวมีพฤติกรรมที่แตกต่างไปจากการไหลของของเหลวทั่วไป ตัวอย่างเช่น การฉีดฟลักซ์ของผลึกเหลวระหว่างแผ่นขนานสองแผ่นที่อยู่ใกล้กัน ( การเกิดนิ้วมือหนืด ) ทำให้การวางแนวของโมเลกุลเชื่อมโยงกับการไหล ส่งผลให้เกิดรูปแบบเดนไดรต์ขึ้น^{[ 63 ]}ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันนี้ยังปรากฏให้เห็นในพลังงานระหว่างพื้นผิว ( แรงตึงผิว ) ระหว่างเฟสผลึกเหลวที่แตกต่างกัน ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันนี้เป็นตัวกำหนดรูปร่างสมดุลที่อุณหภูมิการอยู่ร่วมกัน และมีความแข็งแกร่งมากจนมักจะปรากฏเหลี่ยมมุม เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป เฟสหนึ่งจะเติบโตขึ้น ทำให้เกิดรูปร่างที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ^{[ 64 ]}เนื่องจากการเติบโตถูกควบคุมโดยการแพร่ความร้อน ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในการนำความร้อนจึงส่งเสริมการเติบโตในทิศทางเฉพาะ ซึ่งมีผลต่อรูปร่างสุดท้ายด้วย^{[ 65 ]}

การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีระดับจุลภาคของเฟสของไหลอาจมีความซับซ้อนมาก เนื่องจากความหนาแน่นของวัสดุสูง ซึ่งหมายความว่าปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง แรงผลักแบบแกนแข็ง และความสัมพันธ์แบบหลายอนุภาคไม่สามารถละเลยได้ ในกรณีของผลึกเหลว ความไม่สมมาตรในปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ยิ่งทำให้การวิเคราะห์ซับซ้อนขึ้นไปอีก อย่างไรก็ตาม มีทฤษฎีที่ค่อนข้างง่ายอยู่หลายทฤษฎีที่สามารถทำนายพฤติกรรมทั่วไปของการเปลี่ยนเฟสในระบบผลึกเหลวได้

ดังที่เราได้เห็นข้างต้นแล้ว ผลึกเหลวเนมาติกประกอบด้วยโมเลกุลรูปแท่ง โดยแกนยาวของโมเลกุลข้างเคียงจะเรียงตัวกันโดยประมาณ เพื่ออธิบายโครงสร้างแบบแอนไอโซโทรปิกนี้ จึงมีการนำเวกเตอร์หน่วยไร้มิติnที่เรียกว่าไดเร็กเตอร์มาใช้เพื่อแสดงทิศทางการวางตัวที่ต้องการของโมเลกุลในบริเวณใกล้เคียงกับจุดใดๆ เนื่องจากไม่มีขั้วทางกายภาพตามแกนไดเร็กเตอร์ ดังนั้นnและ-nจึงเทียบเท่ากันโดยสมบูรณ์^{[ 25 ]}

คำอธิบายของผลึกเหลวเกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ลำดับ พารามิเตอร์ลำดับเทนเซอร์สมมาตรไร้ร่องรอยอันดับสองเทนเซอร์ Qใช้เพื่ออธิบายลำดับการวางแนวของ ผลึกเหลว เนมาติกแบบสองแกน ทั่วไปที่สุด อย่างไรก็ตาม เพื่ออธิบายกรณีทั่วไปของผลึกเหลวเนมาติกแบบแกนเดียว พารามิเตอร์ลำดับสเกลาร์ก็เพียงพอแล้ว^{[ 66 ]}เพื่อให้เป็นเชิงปริมาณ พารามิเตอร์ลำดับการวางแนวโดยทั่วไปจะถูกกำหนดโดยอิงจากค่าเฉลี่ยของพหุนามเลอจองเดอร์ อันดับสอง :

${\displaystyle S=\langle P_{2}(\cos \theta )\rangle =\left\langle {\frac {3\cos ^{2}(\theta )-1}{2}}\right\rangle }$

โดยที่มุมระหว่างแกนโมเลกุลของผลึกเหลวและไดเรกเตอร์ท้องถิ่น (ซึ่งเป็น 'ทิศทางที่ต้องการ' ในองค์ประกอบปริมาตรของตัวอย่างผลึกเหลว ซึ่งแสดงถึงแกนแสงท้องถิ่น ด้วย ) วงเล็บหมายถึงค่าเฉลี่ยทั้งในเชิงเวลาและเชิงพื้นที่ คำจำกัดความนี้สะดวก เนื่องจากสำหรับตัวอย่างที่สุ่มและไอโซโทรปิกอย่างสมบูรณ์S  = 0 ในขณะที่สำหรับตัวอย่างที่จัดเรียงอย่างสมบูรณ์แบบ S = 1 สำหรับตัวอย่างผลึกเหลวทั่วไปSอยู่ในลำดับ 0.3 ถึง 0.8 และโดยทั่วไปจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จะสังเกตเห็นการลดลงอย่างรวดเร็วของพารามิเตอร์ลำดับเป็น 0 เมื่อระบบเกิดการเปลี่ยนเฟสจากเฟส LC ไปเป็นเฟสไอโซโทรปิก^{[ 67 ]}พารามิเตอร์ลำดับสามารถวัดได้จากการทดลองในหลายวิธี ตัวอย่างเช่นไดอะแมก เนติ ซึมการหักเหสองทิศทางการกระเจิงรามานNMRและEPRสามารถใช้เพื่อกำหนด S ได้^{[ 28 ]}${\displaystyle \theta }$

ลำดับของผลึกเหลวยังสามารถระบุลักษณะได้โดยใช้พหุนามเลอจองเดอร์คู่ตัวอื่น ๆ (พหุนามคี่ทั้งหมดมีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์ เนื่องจากไดเร็กเตอร์สามารถชี้ไปในทิศทางตรงข้ามสองทิศทางได้) ค่าเฉลี่ยลำดับสูงเหล่านี้วัดได้ยากกว่า แต่สามารถให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการจัดเรียงโมเลกุลได้^{[ 24 ]}

พารามิเตอร์ลำดับตำแหน่งยังใช้เพื่ออธิบายการเรียงตัวของผลึกเหลว โดยมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของจุดศูนย์กลางมวลของโมเลกุลผลึกเหลวตามเวกเตอร์ที่กำหนด ในกรณีของการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งตาม แกน zความหนาแน่นมักจะกำหนดโดย: ${\displaystyle \rho (z)}$

${\displaystyle \rho (\mathbf {r} )=\rho (z)=\rho _{0}+\rho _{1}\cos(q_{s}z-\varphi )+\cdots \,}$

พารามิเตอร์ลำดับตำแหน่งเชิงซ้อนถูกกำหนดให้เป็นและความหนาแน่นเฉลี่ย โดยทั่วไปจะเก็บเฉพาะสองเทอมแรกไว้ และละเลยเทอมลำดับที่สูงกว่า เนื่องจากเฟสส่วนใหญ่สามารถอธิบายได้อย่างเพียงพอโดยใช้ฟังก์ชันไซน์ สำหรับเฟสเนมาติกที่สมบูรณ์แบบและสำหรับเฟสสเมกติกจะมีค่าเป็นจำนวนเชิงซ้อน ลักษณะเชิงซ้อนของพารามิเตอร์ลำดับนี้ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบระหว่างการเปลี่ยนเฟสจากเนมาติกเป็นสเมกติกและการเปลี่ยนเฟสจากตัวนำเป็นตัวนำยิ่งยวดได้หลายประการ^{[ 25 ]}${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )=\rho _{1}(\mathbf {r} )e^{i\varphi (\mathbf {r} )}}$${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle \psi =0}$${\displaystyle \psi }$

แบบจำลองอย่างง่ายที่ทำนายการเปลี่ยนเฟสไลโอโทรปิกคือแบบจำลองแท่งแข็งที่เสนอโดยLars Onsagerทฤษฎีนี้พิจารณาปริมาตรที่ถูกกีดกันออกจากจุดศูนย์กลางมวลของทรงกระบอกในอุดมคติหนึ่งอันขณะที่มันเข้าใกล้ทรงกระบอกอีกอันหนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากทรงกระบอกวางตัวขนานกัน จะมีปริมาตรน้อยมากที่ถูกกีดกันออกจากจุดศูนย์กลางมวลของทรงกระบอกที่กำลังเข้าใกล้ (มันสามารถเข้าใกล้ทรงกระบอกอีกอันได้มาก) อย่างไรก็ตาม หากทรงกระบอกทำมุมกัน จะมีปริมาตรขนาดใหญ่ล้อมรอบทรงกระบอกซึ่งจุดศูนย์กลางมวลของทรงกระบอกที่กำลังเข้าใกล้ไม่สามารถเข้าไปได้ (เนื่องจากการผลักกันของแท่งแข็งระหว่างวัตถุในอุดมคติทั้งสอง) ดังนั้น การจัดเรียงเชิงมุมนี้ทำให้เอนโทรปีตำแหน่งสุทธิ ของทรงกระบอกที่กำลังเข้าใกล้ ลดลง (มีสถานะให้เลือกน้อยลง) ^{[ 68 ] [ 69 ]}

ความเข้าใจพื้นฐานในที่นี้คือ ในขณะที่การจัดเรียงแบบขนานของวัตถุที่ไม่สมมาตรนำไปสู่การลดลงของเอนโทรปีเชิงทิศทาง แต่จะมีการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีเชิงตำแหน่ง ดังนั้นในบางกรณี ลำดับเชิงตำแหน่งที่มากขึ้นจะเป็นที่พึงปรารถนาในเชิงเอนโทรปี ทฤษฎีนี้จึงทำนายว่าสารละลายของวัตถุรูปแท่งจะเกิดการเปลี่ยนเฟสที่ความเข้มข้นเพียงพอไปสู่เฟสเนมาติก แม้ว่าแบบจำลองนี้จะมีประโยชน์ในเชิงแนวคิด แต่สูตรทางคณิตศาสตร์ของมันมีข้อสมมติหลายประการที่จำกัดการนำไปใช้กับระบบจริง^{[ 69 ]} Flory ได้เสนอการขยายทฤษฎีของ Onsager เพื่ออธิบายผลกระทบที่ไม่ใช่เอนโทรปี

ทฤษฎีทางสถิตินี้ ซึ่งเสนอโดยAlfred Saupeและ Wilhelm Maier ประกอบด้วยการมีส่วนร่วมจากศักยภาพดึงดูดระหว่างโมเลกุลจากโมเมนต์ไดโพลที่เหนี่ยวนำระหว่างโมเลกุลผลึกเหลวรูปแท่งที่อยู่ติดกัน แรงดึงดูดแบบแอนไอโซโทรปิกทำให้การเรียงตัวขนานของโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงมีเสถียรภาพ และทฤษฎีนี้จะพิจารณาค่าเฉลี่ยของปฏิสัมพันธ์แบบสนามเฉลี่ย เมื่อแก้ทฤษฎีนี้ได้อย่างสอดคล้องกัน จะสามารถทำนายการเปลี่ยนเฟสเทอร์โมโทรปิกเนมาติก-ไอโซโทรปิก ซึ่งสอดคล้องกับการทดลอง ^{[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]}ทฤษฎีสนามเฉลี่ยของ Maier-Saupe ได้รับการขยายไปยังผลึกเหลวที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงโดยการรวมความแข็งในการดัดงอของโมเลกุลและใช้วิธีการอินทิกรัลเส้นทางในวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์^{[ 73 ]}

แบบจำลองของ McMillan ซึ่งเสนอโดย William McMillan ^{[ 74 ]}เป็นส่วนขยายของทฤษฎีสนามเฉลี่ย Maier–Saupe ที่ใช้ในการอธิบายการเปลี่ยนเฟสของผลึกเหลวจากเฟสเนมาติกไปเป็นเฟสสมิกติก A โดยทำนายว่าการเปลี่ยนเฟสอาจเป็นแบบต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่องก็ได้ ขึ้นอยู่กับความแรงของปฏิสัมพันธ์ระยะสั้นระหว่างโมเลกุล ส่งผลให้มีจุดวิกฤตสามจุดที่เฟสเนมาติก ไอโซโทรปิก และสมิกติก A มาบรรจบกัน แม้ว่าจะทำนายการมีอยู่ของจุดวิกฤตสามจุด แต่ก็ไม่สามารถทำนายค่าของมันได้อย่างแม่นยำ แบบจำลองนี้ใช้พารามิเตอร์ลำดับสองตัวที่อธิบายลำดับการวางแนวและตำแหน่งของผลึกเหลว ตัวแรกคือค่าเฉลี่ยของพหุนามเลอจองเดอร์ ตัวที่สอง และพารามิเตอร์ลำดับที่สองกำหนดโดย:

${\displaystyle \sigma =\left\langle \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)\right\rangle }$

ค่าz _i , θ _iและdคือ ตำแหน่งของโมเลกุล มุมระหว่างแกนโมเลกุลและไดเรกเตอร์ และระยะห่างระหว่างชั้น ตามลำดับ พลังงานศักย์ที่คาดการณ์ไว้ของโมเลกุลเดี่ยวมีค่าดังนี้:

${\displaystyle U_{i}(\theta _{i},z_{i})=-U_{0}\left(S+\alpha \sigma \cos \left({\frac {2\pi z_{i}}{d}}\right)\right)\left({\frac {3}{2}}\cos ^{2}\left(\theta _{i}\right)-{\frac {1}{2}}\right)}$

ในที่นี้ค่าคงที่ α จะวัดความแข็งแรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่อยู่ติดกัน จากนั้นจึงใช้ศักยภาพเพื่อหาคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกของระบบโดยสมมติว่าอยู่ในสมดุลทางความร้อน ซึ่งจะได้สมการความสอดคล้องกันสองสมการที่ต้องแก้ด้วยวิธีเชิงตัวเลข โดยคำตอบของสมการเหล่านี้คือเฟสเสถียรทั้งสามของผลึกเหลว^{[ 28 ]}

ในรูปแบบนี้ วัสดุผลึกเหลวจะถูกมองว่าเป็นวัสดุต่อเนื่อง รายละเอียดระดับโมเลกุลจะถูกละเลยโดยสิ้นเชิง ทฤษฎีนี้จะพิจารณาเฉพาะการรบกวนต่อตัวอย่างที่สันนิษฐานว่ามีทิศทางเท่านั้น การบิดเบี้ยวของผลึกเหลวมักถูกอธิบายด้วยความหนาแน่นของพลังงานอิสระของแฟรงค์เราสามารถระบุการบิดเบี้ยวได้สามประเภทที่อาจเกิดขึ้นในตัวอย่างที่มีทิศทาง ได้แก่ (1) การบิดของวัสดุ ซึ่งโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงถูกบังคับให้ทำมุมกัน แทนที่จะเรียงตัวกัน (2) การแผ่กระจายของวัสดุ ซึ่งการโค้งงอเกิดขึ้นตั้งฉากกับทิศทาง และ (3) การโค้งงอของวัสดุ ซึ่งการบิดเบี้ยวขนานกับทิศทางและแกนโมเลกุล การบิดเบี้ยวทั้งสามประเภทนี้ล้วนก่อให้เกิดค่าปรับพลังงาน เป็นการบิดเบี้ยวที่เกิดจากเงื่อนไขขอบเขตที่ผนังโดเมนหรือภาชนะที่ล้อมรอบ การตอบสนองของวัสดุสามารถแยกย่อยออกเป็นเทอมตามค่าคงที่ความยืดหยุ่นที่สอดคล้องกับการบิดเบี้ยวทั้งสามประเภทได้ ทฤษฎีความต่อเนื่องยืดหยุ่นเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการสร้างแบบจำลองอุปกรณ์ผลึกเหลวและเยื่อไขมันสองชั้น^{[ 75 ] [ 76 ]}

นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสามารถใช้ผลึกเหลวในงานประยุกต์หลากหลายประเภท เนื่องจากแรงรบกวนจากภายนอกสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในคุณสมบัติระดับมหภาคของระบบผลึกเหลว ทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสามารถใช้ในการเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้ ขนาดของสนาม รวมถึงความเร็วในการเรียงตัวของโมเลกุล เป็นคุณลักษณะสำคัญที่อุตสาหกรรมต้องให้ความสำคัญ การปรับสภาพพื้นผิวแบบพิเศษสามารถใช้ในอุปกรณ์ผลึกเหลวเพื่อบังคับให้โมเลกุลเรียงตัวในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงได้

ความสามารถของผู้อำนวยการในการจัดเรียงตัวตามสนามภายนอกเกิดจากลักษณะทางไฟฟ้าของโมเลกุล ไดโพลไฟฟ้าถาวรเกิดขึ้นเมื่อปลายด้านหนึ่งของโมเลกุลมีประจุบวกสุทธิ ในขณะที่ปลายอีกด้านหนึ่งมีประจุลบสุทธิ เมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้าภายนอกกับผลึกเหลว โมเลกุลไดโพลมีแนวโน้มที่จะจัดเรียงตัวตามทิศทางของสนาม^{[ 77 ]}

แม้ว่าโมเลกุลจะไม่เกิดเป็นไดโพลถาวร แต่ก็ยังสามารถได้รับอิทธิพลจากสนามไฟฟ้าได้ ในบางกรณี สนามไฟฟ้าจะทำให้เกิดการจัดเรียงตัวใหม่เล็กน้อยของอิเล็กตรอนและโปรตอนในโมเลกุล จนเกิดเป็นไดโพลไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้น แม้ว่าจะไม่แข็งแรงเท่าไดโพลถาวร แต่การวางตัวในทิศทางเดียวกับสนามภายนอกก็ยังคงเกิดขึ้น

การตอบสนองของระบบใดๆ ต่อสนามไฟฟ้าภายนอกคือ

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}E_{i}+P_{i}}$

โดยที่, และคือส่วนประกอบของสนามไฟฟ้า สนามการกระจัดทางไฟฟ้า และความหนาแน่นของการโพลาไรเซชัน ตามลำดับ พลังงานไฟฟ้าต่อปริมาตรที่เก็บไว้ในระบบคือ ${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle D_{i}}$${\displaystyle P_{i}}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}D_{i}E_{i}}$

(ผลรวมเหนือดัชนีที่ปรากฏสองครั้ง) ในผลึกเหลวเนมาติก ทั้งโพลาไรเซชันและการกระจัดทางไฟฟ้าขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามไฟฟ้าแบบเชิงเส้น โพลาไรเซชันควรจะเป็นคู่ในไดเร็กเตอร์ เนื่องจากผลึกเหลวไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การสะท้อนของรูปแบบทั่วไปที่สุดในการแสดงคือ ${\displaystyle i}$${\displaystyle n}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle D_{i}=\epsilon _{0}\epsilon _{\bot }E_{i}+\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)n_{i}n_{j}E_{j}}$

(ผลรวมเหนือดัชนี) โดยที่และค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าขนานและตั้งฉากกับไดเร็กเตอร์จากนั้นความหนาแน่นของพลังงานคือ (โดยไม่สนใจเงื่อนไขคงที่ที่ไม่ก่อให้เกิดพลวัตของระบบ) ^{[ 78 ]}${\displaystyle j}$${\displaystyle \epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }}$${\displaystyle n}$

${\displaystyle f_{\text{elec}}=-{\frac {1}{2}}\epsilon _{0}\left(\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }\right)\left(E_{i}n_{i}\right)^{2}}$

(ผลรวมเหนือ) ถ้าเป็นค่าบวก พลังงานต่ำสุดจะเกิดขึ้นเมื่อและขนานกัน ซึ่งหมายความว่าระบบจะสนับสนุนการจัดเรียงผลึกเหลวให้สอดคล้องกับสนามไฟฟ้าที่ใช้ภายนอก ถ้าเป็นค่าลบ พลังงานต่ำสุดจะเกิดขึ้นเมื่อและตั้งฉากกัน (ในเนมาติกส์ การวางแนวตั้งฉากจะเสื่อมสภาพ ทำให้เกิดกระแสน้ำวนได้^{[ 79 ]} ) ${\displaystyle i}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle E}$${\displaystyle n}$

ความแตกต่างนี้เรียกว่า ความไม่สมมาตรทางไดอิเล็กทริก และเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการใช้งานผลึกเหลว มีทั้ง ผลึกเหลวสังเคราะห์ และผลึกเหลวเชิงพาณิชย์ ผลึกเหลวผสม 5CBและE7เป็นผลึกเหลวสองชนิดที่ใช้กันทั่วไปMBBAก็เป็นผลึกเหลว ชนิดหนึ่งที่ใช้กันเช่นกัน${\displaystyle \Delta \epsilon =\epsilon _{\parallel }-\epsilon _{\bot }}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$${\displaystyle \Delta \epsilon >0}$${\displaystyle \Delta \epsilon <0}$

ผลกระทบของสนามแม่เหล็กต่อโมเลกุลของผลึกเหลวนั้นคล้ายคลึงกับสนามไฟฟ้า เนื่องจากสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ ไดโพลแม่เหล็กถาวรจึงถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบๆ อะตอม เมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็ก โมเลกุลจะมีแนวโน้มที่จะเรียงตัวไปตามหรือตรงข้ามกับสนาม รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสง UV-Visible สามารถส่งผลต่อผลึกเหลวที่ตอบสนองต่อแสง ซึ่งส่วนใหญ่มีหน่วยที่สามารถเปลี่ยนสถานะด้วยแสงอย่างน้อยหนึ่งหน่วย^{[ 80 ]}

ในกรณีที่ไม่มีสนามภายนอก ตัวนำของผลึกเหลวสามารถชี้ไปในทิศทางใดก็ได้ อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะบังคับให้ตัวนำชี้ไปในทิศทางเฉพาะโดยการนำตัวกลางภายนอกเข้ามาในระบบ ตัวอย่างเช่น เมื่อเคลือบพอลิเมอร์บางๆ (โดยปกติคือพอลิอิไมด์) ลงบนพื้นผิวแก้วและถูไปในทิศทางเดียวด้วยผ้า จะสังเกตได้ว่าโมเลกุลของผลึกเหลวที่สัมผัสกับพื้นผิวนั้นจะเรียงตัวไปตามทิศทางการถู กลไกที่ยอมรับกันในปัจจุบันเชื่อว่าเป็นการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียของชั้นผลึกเหลวบนสายโซ่พอลิเมอร์ที่เรียงตัวบางส่วนในชั้นใกล้พื้นผิวของพอลิอิไมด์

สารเคมีผลึกเหลวหลายชนิดยังเรียงตัวตาม 'พื้นผิวควบคุม' ซึ่งจะถูกจัดเรียงโดยสนามไฟฟ้าของแสงโพลาไรซ์ กระบวนการนี้เรียกว่าการจัดเรียงตัวด้วยแสง (photoalignment )

การแข่งขันระหว่างการจัดเรียงตัวที่เกิดจากการยึดเกาะกับพื้นผิวและจากผลของสนามไฟฟ้า มักถูกนำมาใช้ประโยชน์ในอุปกรณ์ผลึกเหลว ลองพิจารณากรณีที่โมเลกุลของผลึกเหลวเรียงตัวขนานกับพื้นผิว และมีการใช้สนามไฟฟ้าตั้งฉากกับเซลล์ ในตอนแรก เมื่อขนาดของสนามไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การจัดเรียงตัวจะไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม เมื่อสนามไฟฟ้ามีขนาดถึงระดับหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงรูปร่างจะเกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงรูปร่างเกิดขึ้นเมื่อทิศทางการจัดเรียงตัวของโมเลกุลเปลี่ยนจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงจากสถานะเรียงตัวไปสู่สถานะเปลี่ยนรูปร่างนี้เรียกว่า การ เปลี่ยนผ่านแบบฟรี เดอริคซ์ (Fréedericksz transition)และสามารถเกิดขึ้นได้จากการใช้สนามแม่เหล็กที่มีความแรงเพียงพอ

การเปลี่ยนสถานะแบบฟรีเดอริคซ์มีความสำคัญต่อการทำงานของจอแสดงผลคริสตัลเหลวหลายชนิด เนื่องจากทิศทางการจัดเรียงตัวของโมเลกุล (และคุณสมบัติต่างๆ) สามารถควบคุมได้ง่ายโดยการใช้สนามไฟฟ้า

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว โมเลกุลของผลึกเหลว แบบไครัลมักก่อให้เกิดเมโซเฟสแบบไครัล ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลนั้นต้องมีความสมมาตรบางรูปแบบ โดยปกติจะเป็น ศูนย์กลาง สเตอริโอเจนิกข้อกำหนดเพิ่มเติมคือระบบต้องไม่เป็นราเซมิก : การผสมกันของโมเลกุลมือขวาและมือซ้ายจะทำให้ผลของไครัลหายไป อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลักษณะการทำงานร่วมกันของการเรียงตัวของผลึกเหลว ปริมาณเล็กน้อยของสารเจือปนไครัลในเมโซเฟสที่ไม่มีไครัลมักจะเพียงพอที่จะเลือกความถนัดมือของโดเมนหนึ่ง ทำให้ระบบโดยรวมเป็นไครัล

เฟสไครัลมักมีการบิดตัวเป็นเกลียวของโมเลกุล หากระยะการบิดตัวนี้อยู่ในระดับความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ ก็จะสามารถสังเกตเห็นปรากฏการณ์การรบกวนทางแสงที่น่าสนใจได้ การบิดตัวแบบไครัลที่เกิดขึ้นในเฟส LC แบบไครัลยังทำให้ระบบตอบสนองแตกต่างกันจากแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมขวาและซ้าย วัสดุเหล่านี้จึงสามารถใช้เป็นตัวกรองโพลาไรซ์ได้^{[ 81 ]}

โมเลกุล LC ไครัลสามารถสร้างเมโซเฟสที่ไม่มีไครัลได้ ตัวอย่างเช่น ในช่วงความเข้มข้นและน้ำหนักโมเลกุล บางช่วง DNA จะสร้างเฟสเฮกซาติกเส้นที่ไม่มีไครัล การสังเกตที่น่าสนใจเมื่อเร็ว ๆ นี้คือการก่อตัวของเมโซเฟสไครัลจากโมเลกุล LC ที่ไม่มีไครัล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โมเลกุลแกนโค้ง (บางครั้งเรียกว่าผลึกเหลวรูปกล้วย) ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างเฟสผลึกเหลวที่เป็นไครัลได้^{[ 82 ]}ในตัวอย่างใด ๆ โดเมนต่าง ๆ จะมีมือที่ตรงข้ามกัน แต่ภายในโดเมนใด ๆ จะมีการเรียงตัวแบบไครัลที่แข็งแกร่ง กลไกการปรากฏของไครัลลิตีระดับมหภาคนี้ยังไม่ชัดเจนทั้งหมด ดูเหมือนว่าโมเลกุลจะเรียงซ้อนกันเป็นชั้นและวางแนวตัวเองในลักษณะเอียงภายในชั้น เฟสผลึกเหลวเหล่านี้อาจเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกหรือแอนติเฟอร์โรอิเล็กทริก ซึ่งทั้งสองอย่างน่าสนใจสำหรับการใช้งาน^{[ 83 ] [ 84 ]}

นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มสมบัติไครัลเข้าไปในเฟสได้โดยการเติมสารเจือปน ไครัล ซึ่งอาจไม่ก่อให้เกิดผลึกเหลวด้วยตัวเอง สารผสม เนมาติกบิดเกลียวหรือเนมาติกบิดเกลียวขั้นสูงมักจะมีสารเจือปนดังกล่าวในปริมาณเล็กน้อย

ผลึกเหลวมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในจอแสดงผลผลึกเหลว ซึ่งอาศัย คุณสมบัติ ทางแสงของสารผลึกเหลวบางชนิดในสภาวะที่มีหรือไม่มีสนามไฟฟ้าในอุปกรณ์ทั่วไป ชั้นผลึกเหลว (โดยทั่วไปมีความหนา 4 ไมโครเมตร) จะอยู่ระหว่างโพลาไรเซอร์ สองตัว ที่วางไขว้กัน (วางตัวทำมุม 90° ต่อกัน) การจัดเรียงผลึกเหลวจะถูกเลือกเพื่อให้เฟสผ่อนคลายของมันเป็นเฟสบิด (ดูTwisted nematic field effect ) ^{[ 11 ]}เฟสบิดนี้จะเปลี่ยนทิศทางของแสงที่ผ่านโพลาไรเซอร์ตัวแรก ทำให้แสงสามารถส่งผ่านโพลาไรเซอร์ตัวที่สองได้ (และสะท้อนกลับไปยังผู้สังเกตหากมีตัวสะท้อนแสง) ดังนั้นอุปกรณ์จึงดูโปร่งใส เมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้ากับชั้นผลึกเหลว แกนโมเลกุลยาวจะเรียงตัวขนานกับสนามไฟฟ้า ทำให้ค่อยๆ คลายตัวในใจกลางของชั้นผลึกเหลว ในสภาวะนี้ โมเลกุลผลึกเหลวจะไม่เปลี่ยนทิศทางของแสง ดังนั้นแสงที่ถูกโพลาไรซ์ที่โพลาไรเซอร์ตัวแรกจะถูกดูดซับที่โพลาไรเซอร์ตัวที่สอง และอุปกรณ์จะสูญเสียความโปร่งใสเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ด้วยวิธีนี้ สนามไฟฟ้าสามารถใช้ในการสลับพิกเซลระหว่างโปร่งใสหรือทึบแสงตามคำสั่งได้ ระบบ LCD สีใช้เทคนิคเดียวกัน โดยใช้ตัวกรองสีเพื่อสร้างพิกเซลสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน^{[ 11 ]}ผลึกเหลวไครัลสเมกติกใช้ใน LCD เฟอร์โรอิเล็กทริก ซึ่งเป็นตัวปรับแสงไบนารีแบบสลับเร็ว หลักการที่คล้ายกันนี้สามารถใช้ในการสร้างอุปกรณ์ออปติคอลที่ใช้ผลึกเหลวอื่นๆ ได้^{[ 85 ]}

ตัวกรองแบบปรับได้ของผลึกเหลวถูกใช้เป็นอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก^{[ 86 ] [ 87 ]}เช่น ในการถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัม

ผลึกเหลวไครัลเทอร์โมโทรปิ กที่มีระยะห่างแปรผันอย่างมากตามอุณหภูมิ สามารถใช้เป็น เทอร์โมมิเตอร์ผลึกเหลว แบบง่ายๆ ได้ เนื่องจากสีของวัสดุจะเปลี่ยนไปเมื่อระยะห่างเปลี่ยนไป การเปลี่ยนสีของผลึกเหลวถูกนำมาใช้ในเทอร์โมมิเตอร์สำหรับตู้ปลาและสระว่ายน้ำหลายชนิด รวมถึงเทอร์โมมิเตอร์สำหรับทารกหรืออ่างอาบน้ำด้วย^{[ 88 ]}วัสดุผลึกเหลวอื่นๆ เปลี่ยนสีเมื่อถูกยืดหรือรับแรงกด ดังนั้น แผ่นผลึกเหลวจึงมักถูกใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อค้นหาจุดร้อน ทำแผนที่การไหลของความร้อน วัดรูปแบบการกระจายแรงกด และอื่นๆ ผลึกเหลวในรูปของเหลวถูกใช้เพื่อตรวจจับจุดร้อนที่เกิดจากไฟฟ้าสำหรับการวิเคราะห์ความล้มเหลวในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์^{[ 89 ]}

เลนส์ผลึกเหลวจะรวมหรือกระจายแสงที่ตกกระทบโดยการปรับดัชนีหักเหของชั้นผลึกเหลวด้วยแรงดันไฟฟ้าหรืออุณหภูมิที่ใช้ โดยทั่วไป เลนส์ผลึกเหลวจะสร้างการกระจายดัชนีหักเหแบบพาราโบลาโดยการจัดเรียงทิศทางของโมเลกุล ดังนั้นคลื่นระนาบจึงถูกปรับรูปร่างเป็นหน้าคลื่นพาราโบลาโดยเลนส์ผลึกเหลวความยาว โฟกัสของเลนส์ผลึกเหลวสามารถปรับได้อย่างต่อเนื่องเมื่อสนามไฟฟ้าภายนอกสามารถปรับได้อย่างเหมาะสม เลนส์ผลึกเหลวเป็น เลนส์ปรับภาพชนิดหนึ่งระบบการถ่ายภาพสามารถได้รับประโยชน์จากการแก้ไขการโฟกัส การปรับระนาบภาพ หรือการเปลี่ยนช่วงความลึกของภาพหรือความลึกของโฟกัสเลนส์ผลึกเหลวเป็นหนึ่งในตัวเลือกสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์แก้ไขสายตาสำหรับสายตาสั้นและสายตายาว (เช่น แว่นตาปรับได้และคอนแทคเลนส์อัจฉริยะ) ^{[ 90 ] [ 91 ]}ในฐานะที่เป็นตัวปรับเฟสแสงเลนส์ผลึกเหลวมีคุณสมบัติความยาวเส้นทางแสง ที่แปรผันตามพื้นที่ (เช่น ความยาวเส้นทางแสงเป็นฟังก์ชันของพิกัดรูม่านตา) ในระบบการถ่ายภาพที่แตกต่างกัน ฟังก์ชันความยาวเส้นทางแสง ที่ต้องการ จะแตกต่างกันไปในแต่ละ ระบบ ตัวอย่างเช่น ในการรวมคลื่นระนาบเข้าเป็นจุดจำกัดการเลี้ยวเบน สำหรับโครงสร้างผลึกเหลวที่เป็นระนาบทางกายภาพ ดัชนีหักเหของชั้นผลึกเหลวควรเป็นทรงกลมหรือพาราโบลาภายใต้การประมาณแบบพาราแอ็ กเซียล สำหรับการฉายภาพหรือการตรวจจับวัตถุ อาจคาดได้ว่าเลนส์ผลึกเหลวจะมีการกระจายความยาวเส้นทางแสงแบบแอสเฟริกทั่วรูรับแสงที่สนใจ เลนส์ผลึกเหลวที่มีดัชนีหักเหที่ปรับได้ด้วยไฟฟ้า (โดยการจัดการขนาดที่แตกต่างกันของสนามไฟฟ้าบนชั้นผลึกเหลว) มีศักยภาพที่จะบรรลุฟังก์ชันความยาวเส้นทางแสง ตามอำเภอใจเพื่อปรับคลื่นหน้าขาเข้า องค์ประกอบทางแสง แบบอิสระของผลึกเหลวในปัจจุบันได้รับการพัฒนามาจากเลนส์ผลึกเหลวที่มีกลไกทางแสงเดียวกัน^{[ 92 ]}การใช้งานเลนส์ผลึกเหลว ได้แก่ โปรเจ็กเตอร์ขนาดเล็ก เลนส์สายตา (แว่นตาหรือคอนแทคเลนส์) กล้องสมาร์ทโฟน ความเป็นจริงเสริม ความเป็นจริงเสมือน เป็นต้น

เลเซอร์ผลึกเหลวใช้ผลึกเหลวในตัวกลางเลเซอร์เป็นกลไกป้อนกลับแบบกระจายแทนกระจกภายนอก การปล่อยแสงที่แถบช่องว่างโฟตอนิกที่สร้างขึ้นโดยโครงสร้างไดอิเล็กทริกเป็นระยะของผลึกเหลวทำให้ได้อุปกรณ์ที่มีเกณฑ์ต่ำและเอาต์พุตสูงพร้อมการปล่อยแสงโมโนโครมาติกที่เสถียร^{[ 40 ] [ 93 ]}

แผ่นและม้วน ผลึกเหลวที่กระจายตัวในพอลิเมอร์ (PDLC) มีจำหน่ายในรูปแบบฟิล์มอัจฉริยะ ที่มีกาวในตัว ซึ่งสามารถติดบนหน้าต่างและสลับระหว่างโปร่งใสและทึบแสงด้วยไฟฟ้าเพื่อความเป็นส่วนตัว^{[ 94 ]}

ของเหลวทั่วไปหลายชนิด เช่นน้ำสบู่แท้จริงแล้วเป็นผลึกเหลว สบู่ก่อตัวเป็นเฟส LC ที่หลากหลายขึ้นอยู่กับความเข้มข้นในน้ำ^{[ 95 ]}

ฟิล์มผลึกเหลวได้ปฏิวัติวงการเทคโนโลยี ปัจจุบันมีการนำไปใช้ในอุปกรณ์ที่หลากหลาย เช่น นาฬิกาดิจิทัล โทรศัพท์มือถือ เครื่องคำนวณ และโทรทัศน์ การใช้ฟิล์มผลึกเหลวในอุปกรณ์หน่วยความจำแบบออปติคอล ซึ่งมีกระบวนการคล้ายกับการบันทึกและการอ่านซีดีและดีวีดีอาจเป็นไปได้^{[ 96 ] [ 97 ]}

ผลึกเหลวยังถูกใช้เป็นเทคโนโลยีพื้นฐานเพื่อเลียนแบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมโดยใช้สนามไฟฟ้าเพื่อควบคุมทิศทางของโมเลกุล ผลึกเหลว เพื่อจัดเก็บข้อมูลและเข้ารหัสค่าที่แตกต่างกันสำหรับระดับการเบี่ยงเบนที่แตกต่างกันกับโมเลกุลอื่นๆ^{[ 98 ] [ 99 ]}

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับผลึกเหลว

• "ประวัติและคุณสมบัติของผลึกเหลว" . Nobelprize.org. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อวันที่ 30 สิงหาคม 2552 . สืบค้นเมื่อ6 มิถุนายน 2552 .
• คำจำกัดความของคำศัพท์พื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับผลึกเหลวที่มีมวลโมเลกุลต่ำและผลึกเหลวพอลิเมอร์ (ข้อแนะนำของ IUPAC ปี 2001) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 3 ตุลาคม 2552 ที่Wayback Machine
• บทนำที่เข้าใจง่ายเกี่ยวกับผลึกเหลวจากมหาวิทยาลัยเคส เวสเทิร์น รีเซิร์ฟ
• บทเรียนฟิสิกส์ของผลึกเหลวเก็บถาวรเมื่อวันที่ 5 สิงหาคม 2550 ที่Wayback Machineจากกลุ่มวิจัยผลึกเหลว มหาวิทยาลัยโคโลราโด
• กลุ่มวิจัยผลึกเหลวและโฟโตนิกส์ – มหาวิทยาลัยเกนต์ (เบลเยียม) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 13 มิถุนายน 2550 ที่Wayback Machineบทเรียนที่ดี
• โปรแกรมจำลองการแพร่กระจายของแสงในผลึกเหลว (ฟรี)
• Liquid Crystals Interactive Online Archived March 18, 2021, at the Wayback Machine
• สถาบันผลึกเหลว (Liquid Crystal Institute) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 20 กันยายน 2017 ที่Wayback Machineมหาวิทยาลัยเคนท์สเตท
• บทความเรื่อง "ผลึกเหลว" ถูกเก็บถาวรไว้เมื่อวันที่ 22 มกราคม 2547 ในWayback Machine โดย Taylor&Francis
• วารสาร Molecular Crystals and Liquid Crystalsจัดพิมพ์โดย Taylor & Francis
• เทคนิคการตรวจจับจุดร้อนสำหรับวงจรรวม (IC)
• ผลึกเหลวคืออะไร?จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีชาลเมอร์ส ประเทศสวีเดน
• ความก้าวหน้าในเคมีของผลึกเหลว เก็บถาวรเมื่อวันที่ 16 มิถุนายน 2553 ที่Wayback Machineชุดบทความเฉพาะเรื่องในวารสาร Beilstein Journal of Organic Chemistry ที่เปิดให้เข้าถึงได้ฟรี
• ชุดสื่อการสอนและการเรียนรู้ DoITPoMS - "ผลึกเหลว" เก็บถาวรเมื่อวันที่ 4 สิงหาคม 2553 ที่Wayback Machine
• ผลึกเหลวรูปชามเก็บถาวรเมื่อวันที่ 18 พฤษภาคม 2015 ที่Wayback Machineจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐซานโฮเซ
• การปรับเทียบเฟสของอุปกรณ์ปรับแสงเชิงพื้นที่ (Spatial Light Modulator) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 29 ตุลาคม 2021 ที่Wayback Machine