溶致液晶

溶致液晶是一種包含溶劑化合物在內的兩種或多種化合物形成的液晶。是在溶液中溶質分子濃度處於一定範圍內時出現液晶相。它的溶劑主要是水或其它極性分子液劑。

溶致液晶主要是由一種或多種雙親化合物組成的化學體系，即雙親化合物和溶劑形成的有序的體系。溶致液晶的研究近年來有了較大的發展。

基本介紹

• 中文名：溶致液晶
• 外文名：Lyotropic liquid crystals
• 套用領域：納米材料、醫藥、化學等工業

定義

液晶是物質的一種熱力學穩定狀態，是一類特殊結構物質（通常為有機物）。它是由奧地利植物學家在加熱膽甾醇苯甲酯晶體時發現的。根據液晶的生成條件，可把它分為兩類：熱致液晶和溶致液晶。

溶致液晶是一種包含溶劑化合物在內的兩種或多種化合物形成的液晶。是在溶液中溶質分子濃度處於一定範圍內時出現液晶相。它的溶劑主要是水或其它極性分子液劑。溶致液晶中的長棒形溶質分子的長寬比大約在15 左右。這種液晶中引起分子排列長程有序的主要原因是溶質與溶劑分子之間的相互作用，而溶質分子之間的相互作用是次要的。生物膜具有溶質液晶的特徵。

分類

常見的有兩種，一種是脂肪酸鹽、油酸鹽、烷基磺酸鹽、銨基化合物等。其親水部分如羧基、磺酸基等與一個長長的疏水基團相連，形成一極性“頭”與兩個疏水“尾”;另一種是具有生命意義的類脂，如磷脂、糖鞘脂類化合物，分子的一個極性“頭”與兩個疏水“尾”中，分子中的疏水基團通常彼此並排排列。

溶致液晶結構

右圖為溶致液晶結構，紅頭的表面活性劑分子與水接觸，而尾巴浸漬在油中（藍）：雙層（左）和膠束（右）。

織構

層狀相

當雙親組分一水體系中雙親物質含量為80~85%時，液晶呈現層狀相。在這一相態中雙親分子與水形成層狀堆積。在這個織構中，各層中分子的長軸互相平行並且垂直於層的表面，與流動的溶液相接觸而溶於其中，雙親分子層彼此平行排列並被水分隔。

六方相

由同一種雙親化合物形成的溶致液晶在較高濃度下呈現層狀相，較低濃度（雙親物質含量為20%）下呈現比層狀相穩定的六方相。通過X射線衍射分析表明雙親分子聚集成一定長度的圓柱形膠團，這些圓柱形再依次平行排列起來形成一個六方堆積。雙親分子的疏水烴鏈位於圓柱內部，極性基位於圓柱的外表面。

立方相

雙親化合物的濃度介於層狀相和六方相之間，即大約60%~75%便呈現立方相。在這一相中，分子先以疏水基在內、親水基在外聚集成球狀，然後球膠團再堆積成一個立方體。

反立方相、反六方相

在雙親組分濃度比層狀相大的穩定體系中，可能出現反立方相，即與立方相類似，但疏水基團在外，而親水基團在內。如果增加雙親組分濃度，會出現另一種中介相，這一相態與六方相唯一不同的是由疏水基在外，而親水基在內的膠團構成。

套用

納米材料合成

1992年，國際上首次報導了通過溶致液晶模板對無機物的導相作用合成出內部直徑為1.5nm~10nm的中孔分子篩，這一發明為材料科學的發展開闢了新的途徑。由於可以通過改變溶致液晶的組元，兩親分子類型與結構的搭配，可以調節分子的取向、形態和間距，從而合成出2nm~50nm的中孔材料。

溶致液晶模板合成納米顆粒

以溶致液晶為模板合成介孔材料，反應條件溫和且合成過程的可控性好。孔大小可通過改變表面活性劑烷基鏈長或添加適當的增溶劑等實現。棒狀膠束的直逕取決於表面活性劑碳鏈的長短，而添加增溶劑也是改變膠束直徑的一種有效方法。增溶劑進入由疏水基組成的空間，使膠束溶脹，達到增大直徑的效果。

用溶致液晶模板合成納米和中孔材料有三個顯著的優點:

①材料的結構可事先設計；

②反應條件溫和，過程有較好的可控性；

③模板易於構築且結構具有多樣性。

溶致液晶模板製備納米結構薄膜

1997年，由非離子表面活性劑C₁₆EO₈、六氯鉑酸HCPA和水形成的六方相液晶作為電解質，Attard小組首次用電化學方法製備了納米結構Pt膜。Pt膜具有六方排列的圓柱形納米孔道，孔徑2.5nm，壁厚約為2.5nm。此外，直徑1.75nm的孔道可通過更短碳鏈的表面活性劑C₁₂EO₈形成的六方相液晶得到。當加入正庚烷作為疏水添加劑時（C₁₆EO₈與正庚烷的摩爾比1:1），孔徑增大。SEM觀察表明，整個膜表面上均勻、平整，通過循環伏安法測定的比表面積約為22m²/g。顯然，以液晶相作為電解質，使用電化學沉積法是製備介孔金屬膜的一種有效途徑。

醫學領域

在藥物生產中，溶致液晶用作囊壁材料將藥劑封成膠囊，這樣即可避免在消化過程中受到酶的破壞，又可將藥物控制傳輸到生物體的特定部位，在那裡液晶的外殼溶解釋放出藥物，從而達到靶相給藥的目的。用溶致液晶包裹的藥物，可以通過控制溶致液晶的擠壓速度來調節藥物的釋放速度和在體內的溶解能力。這樣使生物體內藥物的濃度保持相對恆定，以減少生物體在用藥物後由於藥物濃度的急劇增加而產生的有害影響。

近年來，科學已證實人體內有大量的液晶物質存在，脂質體就是一類天然表面活性劑。脂質體的半徑在10nm~100nm之間，藥物可以被裹在這些結構之中的內水相和雙層結構之間的憎水域中，並且在脂質體的表面還可以安裝分子識別物質如抗體來識別病源細胞的結構，而達到給藥的目的。

化學化工領域

由於溶致液晶相態平衡是動態平衡，在化學反應中它為反應物提供一個有序的微環境。例如由交聯的高分子溶致液晶形成的分子篩，能將反應底物分子固定在其直徑為3~10埃的孔中，並為活性部位（特別是酸或鹼）提供高濃度。這種分子篩成為了一種高效的、高選擇性的多相催化劑。

除高分子液晶可用於化學反應的介質之外，低分子液晶也同樣可用作有機反應介質。SDS（硫酸癸酯鈉）、KL（月桂酸鉀）、MTAB（十四烷基三甲基溴化銨）等分別在烯烴的溴化反應，酯水解，化合物感光異構等反應中作介質。它們對同一反應速率的影響還與介質所表現出的液晶相態有關。溶致液晶還能影響膜的離子滲透性。

工業生產

溶致液晶也廣泛套用於工業生產中，表面活性劑廣泛用在開採石油中。硫酸鹽和磺酸鹽等陰離子表面活性劑在石油生產中用做乳化劑、緩蝕劑、起泡劑和洗淨劑;銨化合物這類陽離子表面活性劑在石油生產中用做破乳劑、防腐劑、粘土處理劑、殺菌劑。在採油時由於注入地層水時過濾不充分，被吸附的粘土集聚，使地層的滲透率降低，並且鹽酸與石灰岩，白雲岩地層起反應磷酸鹽被酸液溶解，有些釋放出的微粒存在於殘酸中。這些微粒留在裂縫中降低了裂縫的傳導率，兩性離子磺酸銨[RNH(CH₂)_ySO₃]磷酸銨[RNH(CH₂)_nOPO₃H₂]能有效的清除這些微粒。硫酸鹽(R-OSO₃^-)、磺酸鹽(R-SO₃^-)、磷酸鹽(R-OPO₃^-)、聚環氧乙烯{R-O[CH₂(CH₃)CH₂O]_xH}、聚環氧丙烯{R-O-(CHCH₃-CH₂O)_yH}等表面活性劑加入酸液中能控制酸與油的界面上酸渣的形成。

前景展望

以溶致液晶為模板製備介孔材料具有常規方法不可比擬的優點，這方面的研究近年來取得了較快的發展，合成出二氧化矽、矽酸鹽類、金屬、合金、半導體等納米結構材料。獨特的結構特性使其在催化、分離、光學、微電子、電化學等領域有潛在的套用前景。據文獻報導，在納米結構材料合成方面進展較快，而針對介孔結構形成機理的研究相對較少。顯然，通過深入探討自組裝機理可以掌握調變材料微結構的關鍵影響因素，為有序納米結構材料的設計與合成提供理論依據。溶致液晶是一個有序的體系，可以構想對化學反應提供一個有序的微環境，必將對高選擇以及合成提供新途徑。此外，生物體的細胞膜和細胞核都是溶致液晶組成的。人體的疾病也與溶致液晶性質的變化有關，也可以構想去創造一些校正生物體內溶致液晶態的藥物來治療疾病。總之，溶致液晶將在化學領域和生物領域有著越來越廣闊的前景。