---
title: "会流动的液体，也能保持方向"
description: "液晶流动时，究竟还保留了什么秩序？"
canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/de-gennes-liquid-crystals/"
language: "zh-CN"
page_type: "story"
alternate_languages:
  en: "https://sandboxphysics.com/stories/thermal-complexity/de-gennes-liquid-crystals/"
last_modified: "2026-10-24"
---

[有序怎样形成，又怎样遇到阻碍](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/#order)

热 · 偶然 · 集体行为

# 会流动的液体，也能保持方向

液晶流动时，究竟还保留了什么秩序？

Sandbox Physics · 2026-10-24

诺奖贡献：1991-1

## 流动不必冲散所有秩序

液晶可以像液体那样流动，同时还保留一个大家偏爱的分子方向。想象一群撑长伞的人，人们可以彼此走过，不必站在固定位置，伞却大多朝同一个方向。向列相液晶保留的就是这种取向秩序：分子位置仍可变，朝向却有共同倾向。

“液晶”这个名字曾经显得矛盾，晶体让人想到整齐固定，液体却总在重新安排。1888 年，Friedrich Reinitzer 报告一种胆固醇化合物的异常熔化行为，成为认识液晶相的早期线索。de Gennes 进入这个领域以前，人们已经分清几种液晶秩序。他的贡献是把这些现象与其他物理中的有力方法联系起来。

来源：[1] [2] [3]

## 既要问朝哪儿，也要问有多整齐

这个共同方向叫指向矢，描述一小片区域里的平均朝向。分子照样在动，也围着这个平均方向晃。对于普通棒状向列相，沿这个方向或反着指，代表同样的排列轴；像一根两端没作标记的针，有轴向，却没有指定的箭头。

整齐程度还可以改变。普通各向同性液体里，各个方向机会相同；向列相里，有些方向明显更受偏爱。序参量就是描述这种偏爱有多强的量。有了它，讨论秩序怎样出现、怎样消失，就不必逐个追踪所有分子。

光能把取向显现出来。光传播时，电场沿横向振动，偏振描述这种振动的方式。液晶对不同偏振方向的光响应不同，放在偏振片之间，取向变化便可能转成亮度变化。研究者因此能敏感地观察样品各处的差别，后来也发展出用电压控制透光的显示器。

光学响应还取决于取向怎样沿样品深度改变。薄层两侧表面可以偏爱不同方向，中间的液晶就平缓地扭过去。光穿过这一连串取向，携带的是许多分子共同安排的结果。看见亮度或颜色变化时，我们已经在观察一片材料的集体行为。

来源：[2] [3]

## 方向场会弯，分子还可以排成层

一片原先均匀取向的样品，不一定永远均匀。两边表面可以要求不同朝向，电场或磁场又可能偏爱另一个方向。指向矢于是随位置改变。这样的弯曲、扭转需要付出能量，样品会在外部要求与取向弹性之间找到折中。

近晶 A 相还有多一层秩序：分子排成层，平均取向沿层的法线。各层可以滑动，但挤压层间距、弯折层的排列，都有能量代价。先认清什么排整齐了，才能知道哪些变形值得计算。

de Gennes 在 1972 年指出，近晶 A 相与超导之间有一种理论类比。两种材料的物理性质当然不同，联系在于描述秩序及缓变场的数学形式相近。一边已经发展好的方法，可以启发另一边的计算；这种联系也带来关于层状秩序如何回应扭曲的预言。

来源：[4]

## 获奖的是跨过材料边界的方法

1991 年物理学奖表彰 de Gennes 把研究简单系统有序现象的方法，推广到更复杂的物质，特别是液晶与聚合物。工作范围远大于解释一块显示屏：先找到决定集体行为的量，再写出改变它们的代价，就能在分子形状很不同的材料之间搬运想法。

液晶让这种收获变得容易想象。保持秩序，不必把所有东西锁死。物质可以流动，方向仍有组织；这个方向还可以像一件柔软、可移动的东西那样接受研究。一个不大的外场就能重新安排它，把微观偏好转成肉眼可见的光学变化。

来源：[5]

接着探索物理

## 动手试相关模型

### [看液晶取向怎样控制一扇光闸](https://sandboxphysics.com/zh/labs/lcd-pixel-microscope/)

调高一个子像素的电压，追踪分子取向与透过的光。

扭曲向列相模型在固定液晶相内计算取向松弛与偏振光传播。

## 来源与阅读说明

1. [Friedrich Reinitzer, Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins (1888)](https://doi.org/10.1007/BF01516710)

   原始胆固醇化合物研究早于 de Gennes 获奖的理论工作。

2. [Pierre-Gilles de Gennes, Soft Matter (Nobel lecture, 1991)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/gennes-lecture.pdf)

   把液晶与聚合物实例分开读，留意各部分中所列早期贡献者。

3. [Nobel educational resources, The History of Liquid Crystals](https://educationalgames.nobelprize.org/educational/physics/liquid_crystals/history/index.html)

   分清向列取向秩序、近晶层状结构，以及后来显示器对取向的利用。

4. [Pierre-Gilles de Gennes, An Analogy between Superconductors and Smectics A (1972)](https://doi.org/10.1016/0038-1098(72%2990186-X)

   比较共同数学形式与各个有序场不同的物理含义。

5. [The Nobel Prize in Physics 1991](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1991/summary/)

   授奖理由关注把有序方法推广到复杂物质，特别是液晶与聚合物。

[热、偶然与集体行为](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/) [不同的物质，为什么在临界点附近变得相像](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/wilson-critical-scales/) [一根长分子，怎样绕成一团](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/polymer-scaling/) [没法同时照顾所有邻居的小磁铁](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/parisi-spin-glass/)