Учёные Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ совместно с коллегами ОИВТ РАН, ВШЭ, ИТМО и Института физики ЕГУ смоделировали ключевой процесс в жидких кристаллах — переход из изотропной фазы в нематическую. Исследование в будущем поможет уточнить механизмы управления молекулярными машинами, составляющих основу фотоуправляемых ЖК-дисплеев, «умных стекол», линз с переменным фокусом, оптических переключателей, материалов с памятью формы и др. Результаты опубликованы в The Journal of Chemical Physics.
Рисунок. Шлирен-текстура жидкокристаллической нематической фазы. Источник: Alternator
Жидкие кристаллы — соединения, проявляющие промежуточные свойства между жидкостями и твердыми телами. В данной работе рассматривается соединение, относящееся к термотропным жидким кристаллам. То есть в некотором температурном диапазоне формируется фаза, проявляющая анизотропные свойства. Она называется нематической фазой.
Вытянутые молекулы в нематической фазе выстраиваются вдоль некоторого преимущественного направления, которое указывает вектор, называемый директором. При повышении температуры нематическая фаза разрушается и превращается в изотропную, когда молекулы хаотично ориентированы.
Исследование того, как перемещаются молекулы в жидких кристаллах, может помочь экспериментаторам уточнить механизмы управления молекулярными машинами — молекулами или молекулярными системами, которые способны в жидкокристаллической смеси изменять свою форму или ориентацию под действием внешних условий.
Моделирование жидких кристаллов – довольно сложная задача, и зачастую требуется репараметризация используемых потенциалов межатомного взаимодействия для согласования с экспериментом в рамках решения конкретной задачи. В новом исследовании учёные впервые показали, что даже без дополнительных поправок стандартный потенциал межатомного взаимодействия GAFF может воспроизвести изотропно-нематический фазовый переход.
Наталья Касапенко, соавтор научной статьи. Фото пресс-службы МФТИ
«В качестве модельного вещества мы использовали 4-циано-4’-пентилбифенил (5CB) — хорошо изученный жидкий кристалл, температура фазового перехода которого составляет 306-308 К. Расчеты потребовали длительных запусков в десятки дней реального времени.
В процессе атомистического моделирования мы наблюдали характерное фазовому переходу изменение параметра порядка, плотности и энтальпии системы. Для верификации модели были исследованы свойства самодиффузии молекул, термодинамическая стабильность изотропной и нематической фазы при различных температурах», — рассказала Касапенко Наталья, одна из авторов работы, студентка магистратуры ЛФИ МФТИ, сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи ЛФИ. Наталья проходит обучение на кафедре вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем ЛФИ.
Рисунок. Переход жидкого кристалла из изотропной фазы в нематическую. а) вычислительная ячейка в исходном состоянии (изотропная фаза), b) в промежуточном состоянии, c) в конечном состоянии (нематическая фаза). Раскраска молекул производится по величине проекции главной оси молекулы на ось директора. Темно-зеленым цветом обозначены молекулы, сонаправленные с директором, а красным – молекулы, перпендикулярные директору. Источник: авторы исследования
Переход к нематической фазе в рамках моделирования происходит через 1 микросекунду, что по меркам молекулярной динамики очень много. В реальном времени вычисления заняли десятки дней. Модель GAFF дала значения плотности и параметра порядка молекул, близкие к экспериментальным. При этом коэффициенты диффузии, описывающие подвижность молекул вдоль директора и в плоскости, перпендикулярной директору, оказались ниже экспериментальных более чем на порядок.
Учёные предполагают, что это обусловлено сильным межмолекулярным взаимодействием. На это указывает завышенное значение энтальпии фазового перехода, что делает нематическую фазу в модели более стабильной, чем в реальности: она сохраняется в некотором диапазоне температур, выше экспериментальной температуры фазового перехода.
«В этой работе мы разрешили множество методических вопросов, связанных с моделированием жидких кристаллов на молекулярном уровне. Этот результат – отправная точка к прогнозированию подвижностей отдельных молекул в жидких кристаллах, требуемых для сопровождения экспериментов и в промышленности. Нам важна коллаборация с экспериментатором и экспертом в области физики жидких кристаллов Татьяной Орловой, обсуждение с которой направляло нас в этой новой тематике», — комментирует Кондратюк Николай, исполнительный директор Центра вычислительной физики ЛФИ.
Таким образом, результаты исследования показывают, что потенциал GAFF может служить хорошей отправной точкой для моделирования жидких кристаллов, но также подчеркивает, в каких аспектах модель еще требует доработки.
