| 题名 | 快速响应和高△n特性向列相液晶分子设计 |
| 作者 | 张然 |
| 答辩日期 | 2009-06-08 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院长春光学精密机械与物理所 |
| 授予地点 | 长春光学精密机械与物理所 |
| 导师 | 宣丽 |
| 关键词 | 向列相液晶 分子设计 响应速度 △n 粘度 二苯乙炔 氟 |
| 其他题名 | Molecular Design of Fast Response and High Birefringence Nematic Liquid Crystals |
| 学位专业 | 光学 |
| 英文摘要 | 液晶的电光响应速度和各向异性的折射率差值△n都是影响液晶应用的重要特征参数。具有快速响应和高△n特性的液晶不仅能改善现有液晶器件的品质，还能大大拓展液晶器件的应用领域，尤其是液晶光学器件，如大气自适应光学系统中的波前校正器、光通讯中的光调制器等，在反射式投影显示方面也有着重要的应用价值。迄今为止，人们曾提出许多方法来提高液晶的响应速度，以满足市场巨大的液晶显示器的需求。目前通过改进液晶材料，电视中的液晶响应时间已有20ms减少到5ms。然而，大气自适应光学要求器件响应时间为毫秒级，同时要求△n大于0.2，以满足位相调制量的要求。但显示器中由于兼顾视角特性其△n通常在0.1左右，因此显示器中的液晶材料不能满足大气自适应光学的要求。根据液晶物理理论，液晶器件的响应速度与液晶的旋转粘度系数成正比，与液晶层的厚度成正比——即与△n成反比，但△n增大往往会造成旋转粘度升高，所以同时具有低粘度和高△n的液晶不易获得。加之人们对分子结构和宏观特性之间的联系知之甚少，对液晶材料实施改性主要凭借经验。本论文系统研究了液晶分子的各个组成部分分别对粘度和△n的影响，并期望借助于计算机模拟的方法，实现液晶分子结构的理性设计。 对于分子结构中常出现的极性取代基，分别研究了其位于端基、外测和桥键位置上时对粘度和△n的影响。利用量子化学方法，计算了各种结构的分子偶极矩和静电势分布等微观参数，比对文献报道的相似结构液晶材料的粘度系数，得出液晶的粘度一般随着分子偶极矩的增大而增大，且原子上较强的静电势也会导致液晶的粘度增大，说明分子间的静电相互作用是决定液晶粘度的重要因素；然后根据电磁波与分子上电子云相互作用模型，计算了不同端基液晶分子的极化率各向异性△α，再利用文献报道的相似结构液晶材料的△n，得出△n与△α的关系曲线，看出随着△α的增大△n增大，而且不饱和端基对△α的贡献要比饱和端基大得多，同时不饱和结构越长液晶的△n越大，明确了不饱和基团上的电子云在分子轴向上的尺寸与垂直轴方向尺寸的差别越大则△n越大这一规律。 研究了液晶分子的尺寸与刚性的作用。液晶的粘度通常随着分子几何长度的增加或转动惯量的增大而增大，因此作为中心基团的苯环或多元环的数目增加时粘度迅速增大，同时从二元混合法实验中看到苯环替代环己烷时使液晶的粘度相对减小；另外分子的桥键刚性较低会使液晶粘度减小。通过计算分子中的电子轨道分布研究了各种中心基团对△n的贡献，从计算结果中发现中心基团苯环的电子轨道半径大、电子云易偏移，每个苯环约产生0.05的△n值，而环己烷对△n的贡献可以忽略；另外中心基团上相连的苯环和三键能使△n进一步增大。归纳起来，二苯乙炔结构非常适合作为低粘度和高△n特性的液晶分子的中心基团。 本论文中，还基于旋转扩散模型和全原子模型的分子动力学模拟技术，计算了液晶的旋转粘度系数。该方法的计算结果和实验结果处于相同量级，粘度相对大小也和实验数据一致。另外，通过Vuks方程计算的△n和Maier-Meier方程计算的△ε，都与文献报道的相同结构液晶材料的实际测量值十分接近，证明该计算方法合理有效。至此构成了一种特性液晶材料的分子设计方法。 最后，折中低粘度与高△n的要求，设计了端基为烷基或含氟基团、中心为二苯乙炔或联苯的一系列液晶分子。实际合成出了液晶化合物“4’-丙基-3,4-二氟-二苯乙炔”。将合成出的纯净液晶与低粘度商品液晶混合，并采用外推法测量其△n。结果显示“4’-丙基-3,4-二氟-二苯乙炔”的△n接近0.3，并且测得10%浓度的混合样品使母体液晶粘度降低了25%。 本论文通过理论计算与实验相结合，系统地研究了液晶的微观分子结构与宏观粘度、△n等特性之间的联系，创新性地提出了一种分子设计方法。将为大气自适应光学迫切需求的快速响应和高△n特性的液晶器件提供解决方案，在天文学以及液晶化学中具有重要的实用价值。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-03-21 |
| 页码 | 130 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://159.226.165.120//handle/181722/1029]  |
| 专题 | 长春光学精密机械与物理研究所_中科院长春光机所知识产出 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张然. 快速响应和高△n特性向列相液晶分子设计[D]. 长春光学精密机械与物理所. 中国科学院长春光学精密机械与物理所. 2009. |
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