Hogyan hatnak a számítógépes szimulációk a folyadékkristályok fázisátmeneteire?

A folyadékkristályos rendszerek szimulációja számos kihívást rejt, mivel a vizsgált molekulák közötti kölcsönhatások széles skálán mozognak, mind rövid, mind hosszú távolságokban. A szomszédos atomok hatásainak figyelembevételével fejlettek ki olyan hatékony módszerek, amelyek képesek felgyorsítani a rövid és hosszú távú erők számítását. E technikák egyaránt jól működnek a Monte Carlo (MC) és molekuláris dinamika (MD) szimulációk során is. Miután az erők kiszámításra kerültek, Newton mozgásegyenleteit kell integrálni. Ezután a fent leírt eljárás követésével időátlagolást lehet végezni.

A differenciálegyenlet megoldására több algoritmus is létezik, de a legelterjedtebb a véges differencia módszer. Alapja az az elképzelés, hogy a molekulák pozíciói, sebességei és egyéb dinamikai adatai ismeretében az adott t időpontban, megpróbáljuk rendkívül pontosan meghatározni a pozíciókat, sebességeket és egyéb mennyiségeket a t + δt időpontban. Az egyenletek lépésről lépésre történő megoldása biztosítja az eredményeket. A δt választása kulcsfontosságú szerepet játszik. A gyakorlatban δt-t olyan kicsire választják, hogy az lényegesen kisebb legyen, mint az az idő, amely alatt a molekula megtette a saját hosszát.

A szimulációkban az algoritmusok közötti választás nemcsak a pontosságtól, hanem a stabilitástól és az alkalmazott lépések számától is függ. A közepes méretű időlépésekhez a Verlet algoritmus ideális, míg nagyobb időlépések esetén a sebesség-Verlet algoritmus stabilabb eredményeket adhat.

A folyadékkristályok szimulációs vizsgálata különböző idő- és hosszúságrendek figyelembevételével történik. A különböző jelenségekhez különböző idő- és hosszúságrendek tartoznak, így az egyes szimulációs modellek különböző megközelítéseket alkalmaznak. A leggyakoribb modellek közé tartozik a kvantum modellezés, az atomista modellezés, a durva szemcsézettségű modellezés és a folytonos modellezés. Ezen modellek alkalmazásával a folyadékkristályos rendszerek fázisátmeneteit, mint az izotróp-nematikus (IN) és a nematikus-smektikus A (NSA) fázisátmenetek, sikeresen modellezték az utóbbi évtizedekben.

A szimulációk során gyakran alkalmazott leghíresebb potenciálmodell a kemikális részecskék modellje, amely az atomok közötti kölcsönhatásokat is figyelembe veszi. A legújabb számítógépes szimulációk eredményei segítettek pontosabb képet adni a nematikus-folyékony fázisátmenetekről, és válaszokat adtak olyan nyitott kérdésekre, mint a pretranszíciós viselkedés vizsgálata. Az ilyen típusú szimulációk lehetőséget adnak a fázisdiagramok finomhangolására és azok alkalmazására különböző anyagok viselkedésének előrejelzésére.

Az utóbbi évtizedekben végzett kutatások és szimulációk segítettek abban, hogy jobban megértsük a folyadékkristályos anyagok szerkezeti és dinamikai tulajdonságait, és új alkalmazási lehetőségeket tártak fel a mikroszkopikus szintű modellezésben.

Hogyan szabályozza a fény az indukált csavarodottságot: az azobenzol származékok szerepe a királis nematikus fázisokban

A fotoizomerizációra képes molekulák – különösen az azobenzol-származékok – alapvető fontosságúvá váltak a királis nematikus (N*) folyadékkristályos rendszerek optikai tulajdonságainak fotokémiai szabályozásában. Ezek a vegyületek képesek fény hatására térszerkezetet váltani, ami közvetlen hatással van a csavart szerkezetű N* fázis térbeli paramétereire, elsősorban a helikális periódus hosszára, azaz a pitch-re. Az E/Z fotoizomerizáció révén bekövetkező konformációváltozás az optikai tulajdonságokat makroszkopikus szinten módosítja.

Ruslim és Ichimura munkái alapján különféle 3,3′-, 2,2′-dimetil-3,3′-, valamint 4,4′-helyettesített azobenzolok keverése N*LC (királis nematikus folyadékkristály) rendszerekbe lehetővé tette a fény által vezérelt pitch módosítást. Megfigyelhető, hogy a 3,3′- és 2,2′-dimetil-3,3′-helyettesített azobenzolok esetén az E- és Z-izomerek közötti váltás csekély, sőt esetenként elhanyagolható eltolódást eredményez a maximális visszaverődési hullámhosszban (λ_max). Ezzel szemben a nem helyettesített vagy 4,4′-helyettesített azobenzolok jelentős spektrális eltolódást mutatnak, ami a csavart szerkezet erőteljesebb modulációjára utal.

Alacsony koncentrációjú rendszerek esetén a λ_max spektrális eltolódása lineárisan aránylik az azobenzol-dopáns moláris koncentrációjával, amit az alábbi reláció ír le: λ_max = λ_0 + k·c. Itt a k arányossági tényező az adott dopáns helikális moduláló képességét jellemzi. A pozitív k érték a helikális periódus hosszabbodását, azaz a vörös eltolódást jelzi.

Érdekes módon az akirális azobenzolok k értékei a jobb- és balmenetes N* rendszerekben hasonlóak, ami arra utal, hogy ezek a molekulák nem preferálják egyik irányultságot sem. Ugyanakkor a pitch rövidülése vagy hosszabbodása – E/Z izomerizáció hatására – a fázis termikus tulajdonságaitól is függ. Ha a gazdafázis dp/dT értéke negatív, a Z-izomer jelenléte pitch rövidülést okozhat, de ez a szabályszerűség nem érvényesül minden szerkezet esetén, különösen a szimmetrikus helyettesítéssel bíró molekuláknál.

Kurihara megfigyelései szerint fotokémiai úton reverzibilis fázisátalakulás figyelhető meg az N* és nematikus fázis között, ami a chiralitás csökkenésének következménye. A fény hatására létrejövő N* fázis szórja a fényt, míg a nematikus fázis optikailag átlátszó.

Továbbmenve, Ruslim és Ichimura kimutatták, hogy egyetlen chirális azobenzol molekula is képes a helikális csavarás irányának megfordítására – fény hatására. Ez a jelenség nem jellemző a klasszikus para-helyettesített azobenzolokra. A fénybesugárzás hatására bekövetkező fázisváltások sorozata – N*–N–N* – során a közbenső nematikus fázis egy kompenzált állapot, amelyben a pozitív és negatív HTP (helikális csavarási képesség) értékek kiegyenlítik

Hogyan befolyásolja a külső nyomás és elektromos/mágneses mezők a chiral-nematikus fázisok struktúráját és dinamikáját?

Chandrasekhar és Ratna [33] kimutatták, hogy a megfigyelt kritikus divergencia elméleti megfontolások alapján várható. A COC mesogén 14 °C-on Sm A−N* fázisátmenetet mutat. A pitch (p) a hőmérséklet 14 °C-ra történő közelítésével gyorsan növekszik. A pitch hőmérsékletfüggése a 1.9 ábra szerint ábrázolható, amely azt mutatja, hogy a p0 az Sm A fázis hiányában a hőmérséklet hatására változik.

A koleszteril-klorid és koleszteril-myristát keverékeknél a tricritikus pont (TCP) hatása is fontos szerepet játszik a helix kicsavarodásában az N*−Sm A fázisátmenet közelében. Pollmann és Scherer [34] kutatásai szerint, ha a külső nyomás a tricritikus pont alatt és felett változik, az a helix kicsavarodásának fokozatos megváltozását eredményezi, és ezzel a fázisátmenet rendje is megváltozik.

A pitch változása kémiai összetétel függvényében is jelentős. A különböző chiral-nematikus anyagok hegyes csavarodásának mértéke és iránya erősen eltérhet egymástól. A kis koncentrációjú optikailag aktív anyagok jelenléte nagy pitch-t okozhat a N* fázisban. A kémiai összetétel változásai figyelemre méltó hatást gyakorolhatnak a struktúrára. Adams és munkatársai [35] vizsgálták a pitch változását kétkomponensű keverékekben, ahol a koleszteril-klorid volt az egyik összetevő. A pitch összetevőktől való függése az összetételben jelentősen érzékeny, különösen akkor, ha a komponensek aránya drámaian változik.

Ezek a dinamikák mind alapvetően befolyásolják a chiral-nematikus anyagok alkalmazhatóságát és stabilitását különböző környezeti feltételek között. A külső nyomás, hőmérséklet és elektromágneses mezők kombinációja segíthet a kívánt tulajdonságok finomhangolásában, ezzel új lehetőségeket nyitva meg a chiral-nematikus fázisú anyagok alkalmazásában, mint például a kijelzők, optikai szűrők és egyéb technológiai eszközök.

Milyen hatásai vannak az elektromos mezőnek a chirális nematikus fázis szerkezetére?

A chirális nematikus fázis szerkezete erősen függ az elektromos mezőtől, ami többféle hatást is kifejt a rendszerre. Az elektromos mező hatásának megértéséhez elengedhetetlen, hogy alaposan megvizsgáljuk a spirális szerkezetek viselkedését és a helikális struktúrák torzulásait. Az elektromos tér hatása alatt a helikális struktúrák fokozatosan elveszítik csavarodásukat, ami komoly következményekkel jár a rendszer dinamikájára és optikai tulajdonságaira.

Az elektromos mező hatására a helix periodikus távolsága (pitch) fokozatosan növekszik, ami optikai szempontból a reflexiós maximum hullámhosszának növekedését eredményezi. A magasabb rendű reflexiók jelennek meg, mivel az ideális helix szerkezet szolitonszerű struktúrává alakul át. Ezen kívül fontos figyelembe venni a határfeltételek szerepét is: ha a helix tengelye párhuzamos a határoló falakkal és az elektromos tér merőleges a helix tengelyére, akkor az elektromos mező kritikus értéke csökken a síkban és homeotropikus elrendezésben is. A vastagabb cellák esetében a helix csavarodásának küszöbértéke különböző rugalmas állandókkal számolva meghatározható.

Mindezek alapján látható, hogy az elektromos mező hatása a chirális nematikus fázisok szerkezetére nem csupán a helikális struktúrák fizikai deformációját, hanem azok optikai és dinamikai jellemzőit is átalakítja. Az elektromos tér alkalmazásával a molekulák orientációja finoman szabályozható, ami lehetővé teszi új típusú optikai eszközök és kijelzők fejlesztését.

Továbbá, a helix csavarodásának elektromos tér általi kontrollálása kulcsfontosságú lehet az olyan alkalmazásokban, mint a gyors in-plane kapcsolás és a fotonikus sávszélesség-tunelés. Ezen alkalmazások számára különösen fontos, hogy megértsük, miként befolyásolják az elektromos tér erőssége és a molekuláris orientációk a rendszer viselkedését. Az elektromos mező által keltett átmenetek és torzulások kísérleti vizsgálata és modellezése további ismereteket adhat a chirális nematikus rendszerek működéséről, és elősegítheti a jövőbeli fejlesztéseket a ferroelectrikus és optikai eszközök terén.