基板表面对液晶系统影响的分子动力学模拟

摘要

液晶是有别于液态和晶态的一种独立的物质形态，它既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性。现在，液晶在我们生活的各个方面已经得到了广泛的应用，所以，对液晶的研究意义重大。但是目前大多数有关液晶的研究是从宏观的角度进行的，而宏观性质是由微观结构和相互作用决定的。本文采用分子动力学模拟的方法，采用石墨板搭建了一个带有沟槽的基板表面，将液晶分子5CB 放在这样的表面上，模拟有沟槽的基板表面对液晶分子取向行为的影响。我们希望能从微观的角度来理解表层液晶的取向行为，并为与表层液晶有关的一些重要参数的计算提供微观依据。
　　 5CB是典型的向列相液晶，它的头部刚性很强，而它的尾部很柔软，很容易旋转和摆动。本文用分子动力学模拟软件Gromacs 对 5CB 液晶进行模拟。
　　 我们考虑了一个包含160个5CB 液晶分子和12个碳板分子的模型.在初始模型中，5CB分子共排成10 层。整个模型放在一个4.686nm×4.674nm×4.57nm的周期性盒子里,其中40个5CB分子在沟槽中排列。总模拟时间为93ns。
　　 由我们的模拟结果可知，模型在模拟中达到了稳定状态，模型中的液晶分子具有近统一的取向，与5CB 液晶在300K 时处于向列相的事实是一致的。液晶分子的取向主要受基板、沟槽和表面相互作用的影响。具体结论如下：
　　 (1)基板表面对液晶分子具有较强的束缚作用，同时沟槽对液晶分子具有几何约束作用。与碳板表面直接接触的第一层分子的取向变化较慢，可见基板对液晶分子的作用比沟槽的作用大。沟槽对于沟槽中的第二、三层分子的取向作用比较明显。由于沟槽的影响，这两层分子与沟槽几乎平行排列。在远离沟槽的位置，分子的沟槽位角α和表面极角β慢慢变大，可见沟槽的对于较远的分子影响变小了。由于分子间作用和表面效应，此时分子的取向变得较随意。
　　 (2)由于基板和沟槽的影响，沟槽中分子的局部序参数较小；第六、七层分子的序参数较大，其原因主要是沟槽对槽外分子影响变小，分子受的束缚变小，所以分子具有较强的流动性，取向容易发生变化。第七层以上的分子的序参数慢慢的减小，主要是表面效应的作用。
　　 我们的结果给出了液晶分子在基板表面时取向变化的微观图像，加深了对表层液晶分子取向变化机理的理解。液晶分子在基板表面的取向是液晶分子与基板表面分子的分子间相互作用、沟槽的几何约束作用以及液晶分子间的相互作用共同起作用的结果。因此，为了获得较好的取向效果，液晶器件基板表面的加工工艺应当尽可能保证使这些因素互相协调。