《棒状液晶分子相变特性的机械旋转模型研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《棒状液晶分子相变特性的机械旋转模型研究（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国科学院液晶相关研究学术研讨会吉林长春棒状液晶分子相变特性的机械旋转模型研究马恒、女川博义：日本富山大学工学部( 日本国富山市五福3 19 0 )鸟山和久：日本琦玉短期大学森杉滋：日本富山工业高专许军：中国复旦大学先进材料研究院孙瑞芝：中国河南师范大学物理与信息工程学院E - m ai l ：h e n g m a 觚e n a n n u e d u c n本论文介绍一种关于棒状液晶材料的分子构造与液晶相的相关关系的理论研究成果n 。3 。根据作者的前期研究，提出了一种有关液晶分子相构造与分子构造的机械模型，研究分子骨骼( c o r e ) 高速旋转特性，能够很好地解释相变与分子结构的关
2、系。该研究以含氟三苯棒状分子作为研究对象，通过半经验分子轨道法计算多个分子的力学参数，结合这些分子材料的相变温度实验数值，对液晶的相变温度和分子构造之间的关系给出了一种新的理论。是关于液晶材料相构造稳定性的一种新的模型理论。分子的机械旋转模型最早用于解释近晶相液晶( S m e c ti cBa n dC ) 的相变规律与分子构造之间的关系。该模型认为，长棒状的液晶分子是一种以长轴为旋转轴的高速旋转体，分子在晶体状态时，其旋转运动的位置相对稳定。当分子处于近晶相状态时，分子的硬的骨骼作为转子( r o t o r ) ，而两端的软的侧链( t e r m i n a lc h a i n )
3、则作为支承轴承( b e a r i n g ) ，而组成一个类似于具有轴承的机械旋转系统。如图一所示，F i g u r e1R o t o rb e a r i n gs y s t e mf o rS m e c t i cp h a s et r a n s i t i o n F i g u r e2 R o t o rs y s t e mf o rn e m a t i cp h a s et r a n s i t i o n 2 7中国科学院液晶相关研究学术研讨会吉林长春在硬的转子高速旋转时，这些软的侧链首尾相接，相互缠绕，形成了液晶的层间部分，而这时的转子旋转状态就决定着液
4、晶的近晶相的相构造。随着温度的升高，分子间距离增大，分子间相互作用力变弱，不同分子的侧链部分的缠绕断开，分子的运动自由度增加，分子整体作为一个比较自由的转子在进行运动，如图二所示，这时候的液晶进入丝状相( n e m a t i C ) 状态。通常认为，分子的构造是影响液晶材料相变温度的主要因素，而对分子本身的运动状态的研究却比较少。事实上，本研究模型认为，分子构造影响分子的运动状态，分子的运动状态，特别是分子绕长轴的旋转运动是决定液晶相构造的主要因素。根据经典力学运动规律，旋转体的自由旋转总是要以转动惯量( m o m e n to fi n e r ti a ) 最小的轴为主轴实施旋转运动
5、。我们的机械旋转模型研究，一方面是从分子的转动惯量入手，研究旋转系统的形状( m o l e c u la rc o n f o r m a ti o n ) 、转体的重心、偏心( e c c e n t r i c i t y ) 、临界旋转速度( c r i t i c a lV e l o c i t y ) 等力学参数对分子自身的旋转状态的影响效果；另一方面，分子的旋转运动状态决定材料的相变温度。稳定的分子旋转将带来稳定的相状态。一般的来说，偏心较小的分子，具有小的转动惯量，将使分子处于稳定的旋转状态，而以较高的旋转速度进行旋转，因而具有稳定地相构造，也就是说，分子材料的相变温度比较高
6、。事实上，作者通过大量的材料调查，特别是对三苯含氟( f l u o r i n a t e dt e r p h e n y l ) 液晶材料的研究表明乜1 ，对分子的构造、旋转状态和相变温度之间的关系给出了非常好的解释。例如，对三苯含氟异构体( is o m e r )F i g u r e3I n f l u e n c ee f f e c to fh e a v ya t o m ( f l u o r i n e ) O i lp r i n c i p a lr o t a t i o na x iS Thel e t t e r dm e a n sd is t a n c e
7、o ft h eh e a v ya t o mt ot h e a x is 2 8中国科学院液晶相关研究学术研讨会吉林长春的研究表明，异构体根据氟原子置换位置的不同，具有我们称之为S l i mis o m e r 和f a tis o m e r 的分子形状。Sii m 形状的分子具有小的偏心和小的转动惯量，因而具有高的临界旋转速度，分子的运动状况就比较稳定，那么液晶的相转变温度就比较高，也就是说，液晶的相是比较稳定的。相反f a t 形状的分子则具有大的偏心，大的转动惯量，较低的临界旋转速度，具有较低的相转变温度。该理论模型的研究结果能够很好地符合液晶相结构的实验结果。因而给出了液晶的
8、相变温度和分子构造之间的关系一种新的解释。图三通过三苯含氟的分子结构图给出了S1i m 和f a tis o m e r s 的示意图。图四和图五利用该模型分别描述了一些成对的同分异构体液晶材料转动惯量、临界转动速度和相转移温度的相关关系n 1 。1 0& 5曩O& 5量O 2 1 4 0 01 6 1 8 0 02 O2 2 k 1 0 “ ”( k l m F i g u r e4An e g a t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nm o m e n to fi n e r t i aa n dc r i t i c a lr o t a
9、 t i o nv e l o c i t yf o rs o m ef l u o r i n a t e dt e r p h e n y l2 3 0 03 2 03 4 03 6 03 8 04 0 04 2 04 4 04 6 04 0 0 湖“K )F i g u r e5Ap o s i t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e np h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea n dc r i t i c a lr o t a t i o nv e l o c i t yf o rs
10、 o m ef l u o r i n a t e dt e r p h e n y ll i q u i dc r y s t a lc o m p o u n d s 研究发现，在高速旋转的液晶分子体系中，分子的旋转物理参数对液晶相的形成起着决定性的作用，因此，利用这种简单的子设计、合成与相构造进行有效的预测。模型计算方法，可以对新的液晶材料的分参考文献：1 ) K T o r i y a m aa n dD A D u n m u r Am o l e c u l a rm o d e lf o r t h es m e ti cBp h a s et h eS t a b i1i z
11、e dm o l e c u l a rr o t o r L i q C r y s t 1 3 ( 1 9 93 ) 7 9 7 8 1 0 2 ) H M a ，J X u ，H O k a d a ，S S u g i m o r i ，H O n n a g a w aa n dK T o r i y a m a ：M e c h a n i c a lR o t o rm o d e lf o rf l u o r i n a t e dt e r p h e n y l1i q u i dc r y s t a l sJ p n J A p p l P h y s ，4 A ，4
12、 3 ( 2 0 0 4 )2 9p一=。Px 一p30一x-婚中国科学院液晶相关研究学术研讨会吉林长春1 4 8 - 1 4 8 7 1 3 ) H M a ，H O k a d a ，S S u g i m o r i ，H O n n a g a w aa n dK T o r i y a m a ：Am e c h a n i c a lm o d e lS t u d yo nc o r r e l a ti o n so f1i q u i dc r y s t a lp h a s ea n dd y n a m i Cp a r a m e t e r si n1i n e a rm o l e c u l e sJ p n J A p p l P h y s ，5 A ，4 3 ( 2 0 0 4 ) 2 6 2 6 - 2 6 2 7 3 0
