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湘潭大學蔣凱、武漢大學/北京大學張平文、麥克馬斯特大學史安昌 Macromolecules：T型液晶分子體系自組裝相行為

2024-03-18 來源：高分子科技

液晶分子是一種新型的高分子材料，具有液體流動性的同時又能保持一定的有序性。由于其獨特的光學、機械和電化學性能，它在顯示技術、傳感器、光子學和智能材料等多個領域展現出廣泛的應用潛力。大量的實驗研究表明，由剛性主鏈、兩個柔性末端鏈和一個柔性側鏈組成的T型液晶分子可以自組裝成多種有序納米結構。然而，人們對于這些復雜納米結構的穩定性和形成機制仍缺乏理解。在這種情況下，準確的數值模擬不僅可以節約成本，還能提供系統的理解。

近期，湘潭大學蔣凱團隊、武漢大學/北京大學張平文團隊以及麥克馬斯特大學史安昌團隊利用自洽場理論，建立了考慮液晶相互作用的T型液晶分子模型（圖1）。針對該復雜且計算昂貴的數學模型，他們發展了一套高效并行的計算方法，并聚焦于相互作用強度和側鏈長度對相行為的影響。研究結果表明，隨著側鏈長度或相互作用強度的增加，多邊形的邊數逐漸增加（圖1）。他們不僅觀察到了與實驗一致的相序：Smectic - A→Triangle→Square→Pentagon→Hexagon→Hexagon₈→Hexagon_₁₀→Smectic - P（圖2）而且還發現了一系列新的有序結構。這一理論研究不僅成功重現了實驗觀察到的相與相序，而且系統地分析了多邊形相的穩定機理。他們通過這些有序結構的能量變化（圖3，4）和密度分布特點（圖5），系統給出了相轉變機理。該工作為進一步理解液晶分子體系的自組裝結構及其形成機理提供了重要線索，有望指導實驗發現更多軟物質納米結構。值得注意的是，這項工作突破了數值模擬上的計算困難，為深入理解該領域的其他液晶分子體系自組裝相行為提供了堅實的基礎。

該工作以“Theory of Polygonal Phases Self-Assembled from T-shaped Liquid Crystalline Molecules”為題發表在《Macromolecules》上。作者感謝湘潭大學高性能計算平臺對這項工作部分計算的支持，以及國家重點研發計劃和國家自然科學基金面上項目提供的科研經費支持。