Zahříváním většiny pevných látek nad teplotu tání vznikne isotropní kapalina . U některých organických sloučenin se mezi pevnou látkou a izotropní kapalinou objevuje jedna nebo více kapalně krystalických fází ( mezofází ), které se liší strukturou. Ve všech případech jde o látky s anizotropním tvarem molekul (připomínající tyčinky, misky, disky apod.).
Mezofáze mají některé vlastnosti kapalin (tečení s poměrně malou viskositou, těžiště molekul nevykazují 3-dimenzionální uspořádání na dálku, charakteristické pro pevné krystalické látky) a některé vlastnosti připomínající pevné látky (orientační uspořádání, anizotropie makroskopických vlastností).
Podle způsobu uspořádání molekul lze rozdělit kapalně krystalické fáze do tří hlavních skupin: fáze nematické (nematika), smektické (smektika) a sloupcové (diskotika), z nichž první dvě skupiny jsou tvořeny protáhlými molekulami (tyčinky 20-40Å dlouhé o průměru ~ 5Å), zatímco poslední skupinu tvoří molekuly ve tvaru disků nebo misek. Příklady molekul sloučenin vykazujících tyto fáze jsou na Obr. 1.
|
|
|
|
|
(a) |
(b) |
|
(c)
Obr. 1: Příklady molekul látek vykazujících (a) nematickou, (b) sloupcovou, (c) smektickou fázi.
U nematik jsou protáhlé molekuly orientovány v průměru jedním směrem, který se nazývá
direktor (
). Těžiště molekul však nevykazují
uspořádání v žádném směru. Jde tedy o tzv. orientační uspořádání, které je pro kapalné krystaly
typické (viz Obr. 2 a). Molekuly navíc volně rotují kolem své dlouhé i krátké osy. Tato rotace
vykompenzuje molekulární dipólové momenty. Nematika tečou ve všech třech směrech s viskositou blízkou
isotropní kapalné fázi.
Je-li látka tvořena chirálními molekulami, které obsahují uhlík s asymetrickou vazbou a nejsou tedy zrcadlově symetrické, neuspořádají se molekuly rovnoběžně, ale vytvoří prostorově nehomogenní spirálovou strukturu s osou kolmou k direktoru (viz Obr. 2 b). Krok spirálového uspořádání je kolem 0,5 mm a může se měnit s teplotou. Tato fáze se nazývá cholesterická a označuje se Ch , nebo N* .
|
|
|
|
(a) |
(b) |
Obr. 2: Schematické znázornění (a) nematické, (b) cholesterické fáze;
označuje direktor, p je krok spirálového uspořádání.
Ve smektikách jsou protáhlé molekuly uspořádány do vrstev. Vrstvy se po sobě snadno pohybují, dochází k tečení v rovině. Viskosita je o něco větší než u nematické fáze. Jednu skupinu smektik tvoří fáze s molekulami rovnoběžnými s normálou vrstev (ortogonální smektika), druhou skupinu tvoří fáze, u nichž molekuly svírají s normálou vrstev nenulový úhel (smektika s nakloněnými molekulami). Tento úhel se může měnit s teplotou a dosahuje hodnot až 40° .
Smektika dále rozdělujeme podle uspořádání ve vrstvách. Ve SmA (viz Obr. 3 a) a SmC (viz Obr. 3 b) těžiště molekul nejsou ve vrstvách uspořádána. V ortogonálních SmB a SmE je ve vrstvách hexagonální a čtvercové uspořádání. V nakloněných SmI , SmF , SmJ , SmG , SmH , SmK je uspořádání hexagonální nebo čtvercové s náklonem molekul ke straně nebo k vrcholu šestiúhelníka nebo čtverce. U fází SmJ , SmG , SmH , SmK navíc už vrstvy nejsou zcela nezávislé, ale je mezi nimi korelace na dlouhou vzdálenost. Nejde už o kapalné krystaly v pravém slova smyslu, ale spíše o orientačně neuspořádané pevné látky.
|
|
|
|
(a) |
(b) |
Obr. 3: Schematické znázornění fází (a) SmA, (b)
SmC;
označuje direktor, 
je normála vrstev,
q je úhel náklonu molekul.
Je-li smektická látka s nakloněnými molekulami chirální, vzniká podobně jako u cholesterik spirálová struktura. Roviny jsou pak vzájemně natočeny, směr odklonu molekul se vrstvu od vrstvy mění. Krok spirály p může být teplotně závislý, mění se v mezích zhruba 1-10 mm. Na Obr. 4 a je schéma chirálního SmC* ( * označuje chiralitu).
U SmC* fází existuje spontánní dipólový moment Ps (spontánní polarizace), který leží ve smektických vrstvách ve směru kolmém na direktor. Existencí spontánní polarizace připomíná SmC* fáze feroelektrické pevné látky. Proto se tato fáze nazývá feroelektrický kapalný krystal . Stejně jako u pevných feroelektrik lze směr Ps reorientovat pomocí vnějšího elektrického pole. Dochází k uspořádání Ps do směru pole a v důsledku toho i k rozvinutí spirály tak, že direktor bude kolmý na směr pole (viz Obr. 4 b).
Obr. 4: Schéma (a) spirálové SmC* fáze, (b) SmC* fáze rozvinuté elektrickým polem. Ps označuje spontánní polarizaci.
U diskotických fází se molekuly ve tvaru disků nebo misek uspořádávají do relativně tuhých sloupců, které pak vytvářejí kubické (Colr) či hexagonální (Colh) struktury. Vazba mezi sloupci je slabá, takže sloupce po sobě volně kloužou. Tečení je tedy jednorozměrné.
Mezi isotropní kapalinou a krystalem se může vyskytnout řada kapalně krystalických fází. Jejich pořadí, jak se postupně objevují při chlazení, je dáno narůstáním stupně uspořádání a je platné pro všechny kapalně krystalické látky:
,isotropní fáze – N – SmA – SmC – SmI – SmF – SmB – SmJ – SmG – SmK – SmH – krystal
přičemž kterákoliv fáze může chybět. Fázové přechody mezi těmito fázemi jsou reversibilní kromě výjimečných případů, kdy se některá fáze (monotropní) objeví jen při chlazení. Taková fáze je metastabilní. U chirálních látek se vyskytuje stejná sekvence fází, ale Ch fáze nahrazuje N fázi a všechny fáze s nakloněnými molekulami jsou označeny (*).
