核心概念
利用廣義副本交換法 (gREM) 和能量表示 (ER) 理論,可以有效地模擬和分析 4-氰基-4'-正烷基聯苯液晶系統的向列-各向同性 (NI) 相變,揭示了分子間交互作用能量和熵效應之間的競爭關係。
本研究利用分子動力學 (MD) 模擬,結合廣義副本交換法 (gREM) 和能量表示 (ER) 理論,深入探討了 4-氰基-4'-正烷基聯苯 (nCB) 液晶系統 (n = 5, 6, 7, 8) 的向列-各向同性 (NI) 相變。
研究方法
採用聯合原子 (UA) 模型和 AMBER 力場進行分子動力學模擬。
利用 gREM 增強對 NI 相變溫度附近狀態的採樣。
應用 ER 理論計算插入自由能,評估液晶分子在各向同性和向列相中的熱力學穩定性。
主要發現
模擬結果成功重現了 nCB 液晶系統的 NI 相變,並觀察到隨著烷基鏈碳數增加而出現的奇偶效應。
計算得到的指向序參數與平均場 Maier-Saupe (MS) 模型的預測結果一致。
透過方向關聯函數分析,發現液晶分子在短程範圍內呈現反平行排列。
ER 理論的自由能分析表明,NI 相變是由分子間交互作用能量和熵效應之間的競爭所驅動。
在 TNI 處,分子間交互作用能量的降低克服了熵效應的增加,導致向列相的熱力學穩定性。
研究意義
本研究採用超越平均場處理的分子層級描述,結合了 LJ 交互作用、靜電交互作用和熵效應,為理解 nCB 液晶系統的 NI 相變提供了更深入的見解。
統計資料
模擬系統包含 4000 個 nCB 分子。
NI 相變溫度 (TNI) 分別為:5CB - 308.7 K,6CB - 300.0 K,7CB - 324.3 K,8CB - 318.9 K。
MS 模型預測的 NI 相變時指向序參數 S ≈ 0.4295。