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  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(xué)、機械和電化學(xué)性能，它在顯示技術(shù)、傳感器、光子學(xué)和智能材料等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)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(cè)鏈組成的T型液晶分子可以自組裝成多種有序納米結(jié)構(gòu)。然而，人們對于這些復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和形成機制仍缺乏理解。在這種情況下，準確的數(shù)值模擬不僅可以節(jié)約成本，還能提供系統(tǒng)的理解。

  近期，湘潭大學(xué)蔣凱團隊、武漢大學(xué)/北京大學(xué)張平文團隊以及麥克馬斯特大學(xué)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(fù)雜且計算昂貴的數(shù)學(xué)模型，他們發(fā)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(cè)鏈長度對相行為的影響。研究結(jié)果表明，隨著側(cè)鏈長度或相互作用強度的增加，多邊形的邊數(shù)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→Hexagon₁₀→Smectic - P（圖2）而且還發(fā)現(xiàn)了一系列新的有序結(jié)構(gòu)。這一理論研究不僅成功重現(xiàn)了實驗觀察到的相與相序，而且系統(tǒng)地分析了多邊形相的穩(wěn)定機理。他們通過這些有序結(jié)構(gòu)的能量變化（圖3，4）和密度分布特點（圖5），系統(tǒng)給出了相轉(zhuǎn)變機理。該工作為進一步理解液晶分子體系的自組裝結(jié)構(gòu)及其形成機理提供了重要線索，有望指導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)更多軟物質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。值得注意的是，這項工作突破了數(shù)值模擬上的計算困難，為深入理解該領(lǐng)域的其他液晶分子體系自組裝相行為提供了堅實的基礎(chǔ)。

  該工作以“Theory of Polygonal Phases Self-Assembled from T-shaped Liquid Crystalline Molecules”為題發(fā)表在《Macromolecules》 上。作者感謝湘潭大學(xué)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(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金面上項目提供的科研經(jīng)費支持。

圖 1：T型液晶分子自組裝結(jié)構(gòu)隨著側(cè)鏈長度的增加的變化。紅色、綠色、藍色分別表示兩端柔性嵌段、柔性側(cè)鏈、剛性主鏈。

 圖2：相互作用強度和側(cè)鏈長度對T型液晶分子自組裝相行為影響的相圖。

 圖 3：對應(yīng)圖2中紅色虛線χ=0.44下，有序結(jié)構(gòu)的能量變化(以均勻相為基準)。(a) 自由能；(b) 界面能；(c) 指向能；(d) 熵能。

 圖 4：對應(yīng)圖2藍色線f_B=0.58下Smp-ABR，Hexagon和Hexagon₈有序結(jié)構(gòu)的能量變化(以Smp-ABR為基準)。(a) 自由能；(b) 界面能；(c) 指向能；(d) 熵能。

圖 5：(a) χ=0.28；(b) χ=0.34 Hexagon (虛線) 和Hexagon₈(實線) 的不同單體在L_x/4處的密度分布。紅色、綠色、藍色分別表示單體 A、B、R。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c02295