联系人简介: 朱有亮, 男, 博士, 副研究员, 主要从事软物质体系的多尺度模拟研究. E-mail: youliangzhu@ciac.ac.cn;黄以能, 男, 博士, 教授. 主要从事相变与微结构动力学研究. E-mail: ynhuang@nju.edu.cn
利用Gay-Berne模型, 结合分子动力学模拟方法, 研究了粒子长径比对椭球粒子液晶行为的影响, 考察了粒子长径比对向列相和近晶相的影响. 结果表明, 长径比相对较小的粒子有利于向列相的形成, 而长径比相对较大的粒子更有利于近晶相的形成. 分析了近晶相和向列相形成的动力学过程.
The Gay-Berne model and molecular dynamics simulation method was used to study the influences of aspect ratio on the liquid crystal behaviors of ellipsoidal particles, especially focusing on nematic and smectic phases. The results indicated that the ellipsoids with a relatively small aspect ratio favor the formation of nematic phases, while the ellipsoids with a relatively large aspect ratio prefer the formation of smectic phases. Furthermore, the formation processes of the nematic and smectic phases in detail were analyzed. The results provide theoretical guidance for designing different types of liquid crystals and understanding the formation mechanism of liquid crystal.
液晶作为一种十分新奇的自然界中间态, 具有液体流动性和固体各向异性, 介于液体和晶体之间. 液晶由奥地利科学家Reinitzer[1]在加热胆甾醇苯酸酯晶体时首先发现, 后经过德国物理学家Lehmann[2]的进一步研究, 发现熔融得到的液体在形态上与普通液体相似, 但其光学性质与晶体相似, 具有各向异性的特点, 并且还观察到双折射现象. 液晶具有特殊的光电效应, 在干涉、 散射、 衍射和吸收等光学现象方面可以受电场调制, 所以液晶最主要的应用是作为显示材料, 如手机、 电脑和电视的液晶显示板, 其优点在于功耗微小、 显示信息量大及成本低廉等[3]. 由于产生的条件不同, 液晶分为热致液晶和溶致液晶, 其中热致液晶又可分为向列相、 近晶相和胆甾相, 通常, 显示材料用的是低分子热致液晶. 所以理解不同液晶形成的机理具有重要的实际应用价值和科学意义[4].
计算机模拟研究液晶具有一定的优势, 目前, 一些常见的模型有简单格子模型[5, 6]、 硬椭球体模型、 球体模型、 Gay-Berne(GB)模型[7, 8, 9]、 硬球柱模型以及球柱链模型[10], 其中使用最广泛的是GB模型, 其除了体积排斥相互作用外还有吸引相互作用[11]. 计算模拟研究发现, 棒状分子和盘状分子可以形成向列相, 并且在一些情况下, 通过调节分子大小和形状, 可以形成近晶相和柱状相, 所以分子形状及分子大小成为稳定液晶的关键因素[8, 12~15].
Deng等[16]通过提出各向异性粒子的单粒子耗散动力学模型, 在更大尺度上研究了长径比对椭球粒子液晶行为的影响, 并分析了不同长径比体系的方向序参数变化. 但目前实验中具有不同长径比的粒子对液晶形成的规律尚不明确, 在实验中如何设计和使用具有不同长径比的粒子也不清楚. 因此, 本文采用GB粒子模型和分子动力学方法[17, 18, 19] , 通过分析方向序参数和径向分布函数, 定量区分了不同的结构, 研究了粒子长径比对向列相和近晶相等相形貌的影响. 此外, 还分析了向列相和近晶相形成的动力学过程. 研究结果可为设计不同类型的液晶以及理解液晶的形成机理提供一定的理论指导.
使用单轴椭球模型描述了棒状分子, 所有模拟参数使用约化单位, 其中长度单位为σ a, 能量单位为ε 0, 质量单位为m0, 时间单位为τ =(m0/ε 0)1/2. GB势能UGB(Ai, Aj, rij) 描述粒子的各向异性形状和相互作用的表达式为[20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31]
其中, UGB(Ai, Aj, rij)依赖于2个椭球粒子之间最接近的距离hij和移位参数γ 来描述粒子间的相互作用, Ur(Ai, Aj, rij)可表示为
其中,
根据对角线形状矩阵Si=diag(ai, bi, ci)和Sj=diag(aj, bj, cj), Gij(Ai, Aj)可表示为
基于椭球粒子的相对位置和取向, 式(1)中η
其中, Ei=diag[(ε 0/ε ia)1/μ , (ε 0/ε ib)1/μ , (ε 0/ε ic)1/μ ]和Ej=diag[(ε 0/ε ja)1/μ , (ε 0/ε jb)1/μ , (ε 0/ε jc)1/μ ]为对角矩阵, μ 和ν 为经验值, 用来调整势能的大小.
图1描述了具有不同长径比的单轴椭球粒子头对头和肩并肩的相互作用势与粒子间距离的关系. 对于不同长径比的粒子, 选择相同的势井深度.
![]() | Fig.1 Interaction potential(U) of uniaxial ellipsoids with different aspect ratio as a function of separation rij for side-by-side and end-to-end configurations |
GB势的参数可以表示为GB(k, k', μ , ν ), 其中k 表示长轴与短轴的比值, k'表示椭球粒子肩并肩的势阱与头对头势阱的比值. 本文使用的参数为k'=5, μ =1, ν =3. 这组参数是迄今使用最为广泛的参数组合, 且已有研究者给出了该体系的部分相图[32]. 在正则系综(NVT)、 长径比为3∶ 1的条件下, 采用与文献[22]一致的粒子数密度ρ =(N
采用分子动力学模拟方法验证文献[22]结果. 如图2(A)和(B)所示, 选取与文献[22]相同的数密度(ρ =0.3), 当温度(T)等于2.8时, 得到向列相; 当温度等于2.0时, 得到近晶相. 通过计算径向分布函数很容易区分有序相和无序相, 该函数给出距离原点r长度的范围内找到一个粒子的几率, 函数表达为
![]() | Fig.2 Snapshots at different temperatures of T=2.8(A) and T=2.0(B), radial distribution function g |
固定温度T=2.8不变, 在保证体积分数和相互作用势不变的情况下, 研究了粒子长径比对向列相的影响. 除了使用径向分布函数和平行径向分布函数来区分不同的相结构, 还计算了方向序参数< P2> , 函数表达式为< P2> =
![]() | Fig.3 Characterization methods of order parameters < P2> (A), radial distribution function g(r)(B) and parallel radial distribution function g‖ (r‖ )(C) |
保持T=2.0, 分析了粒子长径比对近晶相的影响, 通过模拟发现, 当c/a< 1.78时体系是一个无序相, c/a> 2.7时体系是近晶相[图5(A)]; 也可以分辨向列相和近晶相的差别, 当c/a> 2.7时, 有明显的层状结构形成[图5(B)和(C)]. 压力和能量随长径比的变化曲线(图S3, 见本文支持信息)显示, 压力随长径比的增加呈现下降趋势, 能量随着长径比的增加呈上升趋势. 图S4(见本文支持信息)给出了在相同温度T=2.0下不同长径比的形貌图, 并总结出如下规律: 长径比较大的粒子更有利于形成近晶相, 并且在一定程度上提高了有序度, 而长径比较小的粒子更趋向于形成向列相.
![]() | Fig.5 Different characterization methods of order parameters < P2> (A), radial distribution function g |
由于常见的MC模拟很难给出向列相和近晶相形成的动力学过程, 因此, 采用MD的模拟方法进一步分析了向列相和近晶相的形成机理[39]. 图6(A)~(D)给出了向列相在不同时刻的形貌图. 可见, 向列相的形成过程是首先形成局部有序的结构, 然后局部有序的范围不断变大, 最后形成向列相结构. 图6(E)~(H)为近晶相在不同时刻的形貌图. 可见, 该体系先形成局域有序的层状结构, 然后通过不断调整粒子的方向, 最终形成整体有序的层状结构.
综上所述, 采用分子动力学模拟方法研究了长径比对椭球粒子液晶行为的影响, 由于温度对粒子的排列有很大影响, 长径比大的粒子间具有更强的相互作用, 会在更高温度下形成近晶相. 结果表明, 长径比较大的粒子更有利于近晶相的形成, 在一定程度上提高了近晶相有序度, 并且, 随着长径比的增加还会从向列相转变为近晶相. 长径比较小的粒子更有利于形成向列相, 随着长径比的降低, 向列相的有序度也在减小. 同时, 还分析了向列相和近晶相形成的动力学过程, 两者均是从局域有序逐渐调整为整体有序结构. 研究结果为实验设计不同类型的液晶提供了一定的理论指导, 也为理解不同液晶相的形成机理提供了重要的理论帮助.
支持信息见http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20190059.
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|
[29] |
|
[30] |
|
[31] |
|
[32] |
|
[33] |
|
[34] |
|
[35] |
|
[36] |
|
[37] |
|
[38] |
|
[39] |
|