Нематическая фаза является наиболее простой и в то же время фундаментальной жидкокристаллической фазой. В ней отсутствует трансляционный порядок в расположении центров масс молекул: они распределены случайным образом, как в обычной жидкости. Однако сохраняется дальний ориентационный порядок — длинные оси анизотропных молекул преимущественно ориентированы вдоль некоторого направления, называемого директором.
Характеристика нематической фазы определяется тензором ориентационного порядка, который позволяет количественно описывать степень выравненности молекул относительно директора. Величина порядка обычно изменяется в пределах от 0 (полное отсутствие ориентационного упорядочения, как в изотропной жидкости) до 1 (идеально упорядоченная система).
В нематических фазах отсутствуют регулярные слоистые структуры, что делает их механические свойства схожими с обычными жидкостями, но одновременно они проявляют сильную оптическую анизотропию. Именно благодаря нематикам жидкокристаллические дисплеи (ЖКД) обладают управляемым двойным преломлением.
Смектические жидкие кристаллы представляют собой системы, где помимо ориентационного порядка возникает и трансляционный порядок в одном измерении. Молекулы формируют параллельные слои, внутри которых они могут оставаться жидкоподобными.
Существует несколько разновидностей смектических фаз:
Смектические фазы демонстрируют уникальные свойства: наличие слоистых структур обуславливает выраженную анизотропию вязкости и упругих модулей. Такие системы обладают возможностью проявлять упорядоченность на мезоскопическом уровне, что играет роль в биологических мембранах и синтетических липидных системах.
Холестерические жидкие кристаллы представляют собой особый тип нематических фаз, характерный для хиральных молекул. Основное отличие заключается в том, что директор в таких системах не остается постоянным, а постепенно вращается в пространстве, формируя спиральную структуру с определенным шагом.
Шаг спирали (период) зависит от природы молекул и может изменяться в широких пределах. Оптическое свойство холестерических фаз заключается в их способности селективно отражать свет с длиной волны, сравнимой со спиральным шагом. Это обуславливает яркие структурные цвета и лежит в основе многих фотонных приложений.
Особенностью холестериков является возможность инверсии шага и перехода к «сверхскрученным» состояниям при изменении температуры или состава смеси.
Если основными структурными элементами системы являются дискообразные молекулы, они могут формировать так называемые колоннарные жидкие кристаллы. В таких фазах молекулы выстраиваются в стопки, которые далее упорядочиваются в двумерную решетку.
Существует несколько разновидностей колоннарных фаз:
Колоннарные фазы обладают высокой степенью анизотропии, что делает их перспективными для создания органических проводников, ионных каналов, а также фотонных материалов.
Кубические жидкие кристаллы отличаются трехмерным трансляционным порядком, сочетающимся с жидкоподобной подвижностью молекул. Их структуры можно описать через трехмерные периодические поверхности, такие как поверхности минимальной кривизны (например, поверхности Шварца или Гироид).
Кубические фазы часто встречаются в системах липидов и амфифильных молекул. В биологии они имеют большое значение, так как способны моделировать морфологию мембран и транспорт веществ в клетке.
Помимо классических систем на основе стержнеобразных молекул, существуют жидкие кристаллы, формируемые молекулами других форм.
В некоторых смектических фазах (например, SmC*) возможно существование спонтанной поляризации. Внешнее электрическое поле способно переключать направление этой поляризации, что делает такие системы аналогами ферроэлектриков в твердых телах.