溶致液晶

包含溶剂化合物在内的两种或多种化合物形成的液晶

溶致液晶是一种包含溶剂化合物在内的两种或多种化合物形成的液晶。是在溶液中溶质分子浓度处于一定范围内时出现液晶相。它的溶剂主要是水或其它极性分子液剂。

定义

液晶是物质的一种热力学稳定状态，是一类特殊结构物质（通常为有机物）。它是由奥地利植物学家在加热胆甾醇苯甲酯晶体时发现的。根据液晶的生成条件，可把它分为两类：热致液晶和溶致液晶。

溶致液晶是一种包含溶剂化合物在内的两种或多种化合物形成的液晶。是在溶液中溶质分子浓度处于一定范围内时出现液晶相。它的溶剂主要是水或其它极性分子溶剂。溶致液晶中的长棒形溶质分子的长宽比大约在15 左右。这种液晶中引起分子排列长程有序的主要原因是溶质与溶剂分子之间的相互作用，而溶质分子之间的相互作用是次要的。生物膜具有溶致液晶的特征。

分类

常见的有两种，一种是脂肪酸盐、油酸盐、烷基磺酸盐、铵基化合物等。其亲水部分如羧基、磺酸基等与一个长长的疏水基团相连，形成一极性“头”与两个疏水“尾”;另一种是具有生命意义的类脂，如磷脂、糖鞘脂类化合物，分子的一个极性“头”与两个疏水“尾”中，分子中的疏水基团通常彼此并排排列。

图1为溶致液晶结构，红头的表面活性剂分子与水接触，而尾巴浸渍在油中（蓝）：双层（左）和胶束（右）。

织构

层状相

当双亲组分一水体系中双亲物质含量为80~85%时，液晶呈现层状相。在这一相态中双亲分子与水形成层状堆积。在这个织构中，各层中分子的长轴互相平行并且垂直于层的表面，与流动的溶液相接触而溶于其中，双亲分子层彼此平行排列并被水分隔。

六方相

由同一种双亲化合物形成的溶致液晶在较高浓度下呈现层状相，较低浓度（双亲物质含量为20%）下呈现比层状相稳定的六方相。通过X射线衍射分析表明双亲分子聚集成一定长度的圆柱形胶团，这些圆柱形再依次平行排列起来形成一个六方堆积。双亲分子的疏水烃链位于圆柱内部，极性基位于圆柱的外表面。

立方相

双亲化合物的浓度介于层状相和六方相之间，即大约60%~75%便呈现立方相。在这一相中，分子先以疏水基在内、亲水基在外聚集成球状，然后球胶团再堆积成一个立方体。

反立方相、反六方相

在双亲组分浓度比层状相大的稳定体系中，可能出现反立方相，即与立方相类似，但疏水基团在外，而亲水基团在内。如果增加双亲组分浓度，会出现另一种中介相，这一相态与六方相唯一不同的是由疏水基在外，而亲水基在内的胶团构成。

应用

纳米材料合成

1992年，国际上首次报道了通过溶致液晶模板对无机物的导相作用合成出内部直径为1.5nm~10nm的中孔分子筛，这一发明为材料科学的发展开辟了新的途径。由于可以通过改变溶致液晶的组元，两亲分子类型与结构的搭配，可以调节分子的取向、形态和间距，从而合成出2nm~50nm的中孔材料。

溶致液晶模板合成纳米颗粒

以溶致液晶为模板合成介孔材料，反应条件温和且合成过程的可控性好。孔大小可通过改变表面活性剂烷基链长或添加适当的增溶剂等实现。棒状胶束的直径取决于表面活性剂碳链的长短，而添加增溶剂也是改变胶束直径的一种有效方法。增溶剂进入由疏水基组成的空间，使胶束溶胀，达到增大直径的效果。

用溶致液晶模板合成纳米和中孔材料有三个显著的优点:

①材料的结构可事先设计；

②反应条件温和，过程有较好的可控性；

③模板易于构筑且结构具有多样性。

溶致液晶模板制备纳米结构薄膜

1997年，由非离子表面活性剂C16EO8、六氯铂酸HCPA和水形成的六方相液晶作为电解质，Attard小组首次用电化学方法制备了纳米结构Pt膜。Pt膜具有六方排列的圆柱形纳米孔道，孔径2.5nm，壁厚约为2.5nm。此外，直径1.75nm的孔道可通过更短碳链的表面活性剂C12EO8形成的六方相液晶得到。当加入正庚烷作为疏水添加剂时（C16EO8与正庚烷的摩尔比1:1），孔径增大。SEM观察表明，整个膜表面上均匀、平整，通过循环伏安法测定的比表面积约为22m2/g。显然，以液晶相作为电解质，使用电化学沉积法是制备介孔金属膜的一种有效途径。

医学领域

在药物生产中，溶致液晶用作囊壁材料将药剂封成胶囊，这样即可避免在消化过程中受到酶的破坏，又可将药物控制传输到生物体的特定部位，在那里液晶的外壳溶解释放出药物，从而达到靶相给药的目的。用溶致液晶包裹的药物，可以通过控制溶致液晶的挤压速度来调节药物的释放速度和在体内的溶解能力。这样使生物体内药物的浓度保持相对恒定，以减少生物体在用药物后由于药物浓度的急剧增加而产生的有害影响。

近年来，科学已证实人体内有大量的液晶物质存在，脂质体就是一类天然表面活性剂。脂质体的半径在10nm~100nm之间，药物可以被裹在这些结构之中的内水相和双层结构之间的憎水域中，并且在脂质体的表面还可以安装分子识别物质如抗体来识别病源细胞的结构，而达到给药的目的。

化学化工领域

由于溶致液晶相态平衡是动态平衡，在化学反应中它为反应物提供一个有序的微环境。例如由交联的高分子溶致液晶形成的分子筛，能将反应底物分子固定在其直径为3~10埃的孔中，并为活性部位（特别是酸或碱）提供高浓度。这种分子筛成为了一种高效的、高选择性的多相催化剂。

除高分子液晶可用于化学反应的介质之外，低分子液晶也同样可用作有机反应介质。SDS（硫酸癸酯钠）、KL（月桂酸钾）、MTAB（十四烷基三甲基溴化铵）等分别在烯烃的溴化反应，酯水解，化合物感光异构等反应中作介质。它们对同一反应速率的影响还与介质所表现出的液晶相态有关。溶致液晶还能影响膜的离子渗透性。

工业生产

溶致液晶也广泛应用于工业生产中，表面活性剂广泛用在开采石油中。硫酸盐和磺酸盐等阴离子表面活性剂在石油生产中用做乳化剂、缓蚀剂、起泡剂和洗净剂;铵化合物这类阳离子表面活性剂在石油生产中用做破乳剂、防腐剂、粘土处理剂、杀菌剂。在采油时由于注入地层水时过滤不充分，被吸附的粘土集聚，使地层的渗透率降低，并且盐酸与石灰岩，白云岩地层起反应磷酸盐被酸液溶解，有些释放出的微粒存在于残酸中。

这些微粒留在裂缝中降低了裂缝的传导率，两性离子磺酸铵[RNH(CH2)ySO3]磷酸铵[RNH(CH2)nOPO3H2]能有效的清除这些微粒。硫酸盐(R-OSO3-)、磺酸盐(R-SO3-)、磷酸盐(R-OPO3-)、聚环氧乙烯{R-O[CH2(CH3)CH2O]xH}、聚环氧丙烯{R-O-(CHCH3-CH2O)yH}等表面活性剂加入酸液中能控制酸与油的界面上酸渣的形成。

前景展望

以溶致液晶为模板制备介孔材料具有常规方法不可比拟的优点，这方面的研究近年来取得了较快的发展，合成出二氧化硅、硅酸盐类、金属、合金、半导体等纳米结构材料。

独特的结构特性使其在催化、分离、光学、微电子、电化学等领域有潜在的应用前景。据文献报道，在纳米结构材料合成方面进展较快，而针对介孔结构形成机理的研究相对较少。显然，通过深入探讨自组装机理可以掌握调变材料微结构的关键影响因素，为有序纳米结构材料的设计与合成提供理论依据。

溶致液晶是一个有序的体系，可以设想对化学反应提供一个有序的微环境，必将对高选择以及合成提供新途径。此外，生物体的细胞膜和细胞核都是溶致液晶组成的。人体的疾病也与溶致液晶性质的变化有关，也可以设想去创造一些校正生物体内溶致液晶态的药物来治疗疾病。总之，溶致液晶将在化学领域和生物领域有着越来越广阔的前景。

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