Российские ученые создали виртуальную модель для жидких кристаллов

Ученым Южно-Уральского государственного университета впервые в мире удалось создать виртуальную модель многокомпонентной жидкокристаллической смеси, которая показывает связь физических свойств жидких кристаллов с их строением на микроскопическом уровне. Полученные результаты позволят в будущем создавать жидкие кристаллы с требуемыми свойствами, что имеет большое значение для их применения в медицине и технике. Исследование опубликовано в высокорейтинговом научном журнале Journal of Molecular Liquids (Scopus, Q1).

Жидкие кристаллы в связи с их необычными физическими свойствами и широким применением в современной технике вызывают большой интерес ученых и инженеров. Это химические вещества, которые в определённом интервале температур могут образовывать мезофазу  — промежуточное состояние между твёрдым и жидким. Жидкие кристаллы сочетают в себе два противоположных свойства: они обладают текучестью, характерной для жидкостей, и анизотропией физических свойств (различием свойств в зависимости от направления), присущей твёрдым кристаллам.

Сегодня жидкие кристаллы используют в жидкокристаллических мониторах. В их основе лежит способность становиться непрозрачными для поляризованного света под действием электрического поля. В жидкокристаллических дисплеях используют не чистые соединения, а многокомпонентные смеси, сохраняющие жидкокристаллическое состояние в широком температурном диапазоне, имеющие относительно высокую спонтанную поляризацию и другие практически важные свойства.

Несмотря на все успехи в разработке жидкокристаллических материалов, теоретически предсказывать их свойства довольно сложно. Учеными Южно-Уральского государственного университета был предложен метод моделирования молекулярной динамики жидкокристаллических смесей для прогнозирования их свойств.

Рисунок: Виртуальная молекулярно-динамическая модель многокомпонентной жидкокристаллической смеси

«Несмотря на то, что жидкие кристаллы с 70-х годов активно применяются в электронике, ученые до сих пор плохо понимают, что в них происходит на уровне укладки отдельных молекул. В отличие от газов и твердых тел, феномен жидких кристаллов получается исследовать только экспериментально, потому, что аналитический аппарат физики плохо справляется с частичной упорядоченностью материи. Прикладные исследования в промышленности позволили достичь значительных результатов, но в теории остается много неразрешенных задач. Нами была создана виртуальная модель многокомпонентной смеси, которая согласуется с экспериментальными исследованиями» , – рассказывает один из авторов исследования Геннадий Макаров , старший научный сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов ЮУрГУ, кандидат химических наук.

В настоящее время цветные жидкокристаллические экраны используются в сотовых телефонах, мониторах и телевизорах. Они обладают малой толщиной, малой потребляемой мощностью, высоким разрешением и яркостью. В будущем теоретическое изучение электрофизических свойств и полученные результаты позволят расширить их применение, в частности создавать энергоэффективные оптические затворы.

Фото: Геннадий Макаров, старший научный сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов ЮУрГУ

Экспериментальная часть исследования проводилась в международной лаборатории молекулярной электроники ЮУрГУ под руководством Федора Подгорнова , кандидата физико-математических наук. Для создания виртуальной модели жидкокристаллической смеси были использованы мощности суперкомпьютерного центра Южно-Уральского государственного университета.