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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(dòng)性的同時(shí)又能保持一定的有序性。由于其獨(dú)特的光學(xué)、機(jī)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(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，由剛性主鏈、兩個(gè)柔性末端鏈和一個(gè)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(duì)于這些復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和形成機(jī)制仍缺乏理解。在這種情況下，準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)、武漢大學(xué)/北京大學(xué)張平文團(tuán)隊(duì)以及麥克馬斯特大學(xué)史安昌團(tuán)隊(duì)利用自洽場(chǎng)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(duì)該復(fù)雜且計(jì)算昂貴的數(shù)學(xué)模型，他們發(fā)展了一套高效并行的計(jì)算方法，并聚焦于相互作用強(qiáng)度和側(cè)鏈長(zhǎng)度對(duì)相行為的影響。研究結(jié)果表明，隨著側(cè)鏈長(zhǎng)度或相互作用強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(diǎn)（圖5），系統(tǒng)給出了相轉(zhuǎn)變機(jī)理。該工作為進(jìn)一步理解液晶分子體系的自組裝結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理提供了重要線索，有望指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)更多軟物質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。值得注意的是，這項(xiàng)工作突破了數(shù)值模擬上的計(jì)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(jiān)實(shí)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(jì)算平臺(tái)對(duì)這項(xiàng)工作部分計(jì)算的支持，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目提供的科研經(jīng)費(fèi)支持。

圖 1：T型液晶分子自組裝結(jié)構(gòu)隨著側(cè)鏈長(zhǎng)度的增加的變化。紅色、綠色、藍(lán)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(qiáng)度和側(cè)鏈長(zhǎng)度對(duì)T型液晶分子自組裝相行為影響的相圖。

 圖 3：對(duì)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(zhǔn))。(a) 自由能；(b) 界面能；(c) 指向能；(d) 熵能。

 圖 4：對(duì)應(yīng)圖2藍(lán)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(zhǔn))。(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(shí)線) 的不同單體在L_x/4處的密度分布。紅色、綠色、藍(lán)色分別表示單體 A、B、R。

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