化學實驗（一）
實驗九 膽固醇液晶
一、目的
調配適當比例的膽固醇酯類化合物之混合物，觀察具特殊光學性質的液晶材料與溫度間的關係，並製作簡單液晶溫度計。
二、原理
對於某些特殊的純物質或混合物，在固相和液相之間有一特殊的液晶相存在。處於液晶相的物質雖如液體般具有可流動的性質，但其分子卻非如一般液體中無規則地任意排列，而是類似結晶固體般有特殊的排列分佈規則，也造成了特殊的光折射、散射、旋光性質。以長棒狀的液晶材料分子為例，常見的液晶相分子排列方式大致可分為三種：
- 向列型（nematic）：向列相是最早應用的液晶相，長棒狀分子順著其分子長軸方向相互平行排列，但每一分子均仍可在長軸方向上自由滑動。
- 層列型（smectic）：分子排列成層狀構造，同一層內的分子為平行排列，分子層間作用力較弱而可相互滑動。
- 膽固醇型（cholesteric）：由掌性化合物（chiral compound）構成，分子排列成層狀構造，同一層內的分子其長軸和層面平行。在相鄰的兩層中，分子的長軸方向會規則性地旋轉一定角度，層層旋轉堆疊下來形成一個螺旋狀的排列結構。
膽固醇的酯類化合物於19世紀末被發現：在加熱為液態然後冷卻至特定溫度範圍可表現出特殊且和溫度密切相關的光學性質，是最早被發現與研究的液晶材料。不同的膽固醇的酯類化合物因分子形狀與分子間作用力強弱不同，而使其液晶相的性質有些差異。本實驗將觀察不同組成比例的膽固醇的酯類化合物混合物液晶相的變色溫度，並利用不同組成比例所致變色溫度的特性製作簡易液晶溫度計。
三、器材及藥品
器材：
燒杯、電磁加熱攪拌器、溫度計、透明膠帶、牙籤
藥品：
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油基碳酸膽固醇酯 (cholesteryl oleyl carbonate) |
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壬酸膽固醇酯 (cholesteryl nonanoate) |
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苯甲酸膽固醇酯 (cholesteryl benzoate) |
混合物（配方如下表）
| 油基碳酸膽固醇酯 | 壬酸膽固醇酯 | 苯甲酸膽固醇酯 | |
| mixture A | 0.13 g | 0.05 g | 0.02 g |
| mixture B | 0.09 g | 0.09 g | 0.02 g |
| mixture C | 0.08 g | 0.10 g | 0.02 g |
| mixture D | 0.07 g | 0.11 g | 0.02 g |
| mixture E | 0.06 g | 0.12 g | 0.02 g |
四、實驗步驟
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數組合作，取用已裝有膽固醇酯類混合物 mixture A、B、C、D、E 的玻璃樣品瓶各一瓶。
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取一 100 mL 燒杯，加入 20 mL 的熱水，準備 80 °C 之熱水浴。將溫度計及裝有mixture A-E 之樣品瓶置入熱水浴中，使混合物固體完全融化為透明液體。
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關閉加熱，使熱水浴慢慢冷卻，溫度降至室溫後可在水浴中加入冰水繼續降低溫度。仔細觀察各混合物不同角度下的顏色（反射）與透光，記錄變化時之溫度與變化情況。由液相變為液晶相再變為固相，共會發生兩次變化：液相/液晶相、液晶相/固相，請確實記錄。
簡單液晶溫度計製作
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將各配方混合物利用電磁加熱攪拌器於熱水浴下再加熱成為透明液體。
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裁切透明膠帶（或透明投影片）一片（約1.5 × 1.5 cm），以牙籤沾取少量 mixture A 液體塗在膠帶有黏性一面中央，膠帶邊緣至少保留0.5 cm不要塗上混合物。
注意：牙籤不可重複使用，以免污染混合物。
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裁切一片透明膠帶，和塗有 mixture A 之膠帶（或透明投影片）黏接並壓緊，使 mixture A 封於兩片膠帶（或透明投影片與膠帶）間。
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另取 mixture B 至 E，分別重複步驟 5、6
注意：牙籤不可重複使用，以免污染混合物。
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以手指搓揉施予壓力、水浴加熱、或拉伸測試所製作各膠片。觀察各混合物試片的顏色變化情況與溫度的關係，將膠片排列固定即為一根據膽固醇酯類混合物顏色變化之簡單溫度計。
五、實驗結果
| 溫度 | 顏色、型態變化 | |
| mixture A |
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| mixture B |
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| mixture C |
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| mixture D |
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| mixture E |
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六、問題與討論
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實驗中觀察到膽固醇液晶的反射光與透光，是否為互補色？
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試以分子間作用力的觀點，說明不同組成的膽固醇酯類化合物混合物為何會有不同的變色溫度。
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根據實驗中觀察到的變色現象與溫度間關係，或查閱網路上膽固醇液晶溫度計資料，簡述膽固醇液晶溫度計在溫度量測上的準確度與解析度（分辨不同溫度的能力）、方便與安全性，和傳統水銀或酒精溫度計相比有何優缺點。
