Автореферат (Моделирование структуры жидкокристаллических наносистем)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиАндреева Татьяна АнатольевнаМОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСИСТЕМСпециальность 05.13.18 – математическое моделирование, численные методыи комплексы программАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2016Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет».Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЕгоров Николай ВасильевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорКнязев Сергей Александрович (СанктПетербургский государственный университеттелекоммуникаций им.

проф. М.А. БончБруевича)доктор физико-математических наук, профессорКоточигов Александр Михайлович (СанктПетербургский государственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ» им.В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»))Ведущая организация:Федеральное государственное образовательноеучреждение высшего профессиональногообразования «Московский физико-техническийинститут (государственный университет)»Защита состоится «22» июня 2016 года в 16:00 на заседании Диссертационногосовета Д 212.232.50 на базе Санкт-Петербургского государственногоуниверситета по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, Старый Петергоф,Университетский пр., д. 35, ауд.

327.Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просьба направлять по адресу 198504,г. Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., д. 35 ученомусекретарю диссертационного совета Д 212.232.50 Г.И. Курбатовой.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, СанктПетербург, Университетская наб., 7/9 и на сайте http://spbu.ru/Автореферат разослан « » __________ 2016 г.Ученый секретарьДиссертационного совета,доктор физ.-мат.

наук,профессорКурбатова Г. И.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыНа сегодняшний день большое значение имеет задача поиска новыхжидкокристаллических (ЖК) веществ, которые активно используются в новейшихтехнологиях электроники, оптоэлектроники, информатики, голографии.Характернымипредставителямиорганическихмолекул,способнымиобразовывать жидкие кристаллы, являются молекулы 4-пентил-4′-цианобифенила(4-cyano-4′-pentylbiphenyl (CB5)) и его аналоги CB6, CB8, CB9.

Для исследованиясвойств этих веществ, необходимо построить математическую модель, котораядолжна учитывать все виды межмолекулярных взаимодействий и изотропнуюконтинуальную среду, создаваемую молекулами окружения. Математическаямодель должна давать возможность оценить изменение характеристик жидкихкристаллов под влиянием дневного и электрического света.

С помощью этоймодели может быть решена задача поиска новых жидкокристаллических веществиразработкапрактическихрекомендацийпоихиспользованиюдляконструирования приборов с заданными характеристиками.Разработка математической модели образования жидкокристаллическойфазы и расчеты физико-химических характеристик вещества представляют собойосновное содержание диссертационной работы. Предложенные в диссертацииматематическая модель и методики расчетов структуры ассоциатов (димерови тримеровCB5),энергийсвязи,дипольныхмоментов,колебательныхи электронных спектров изученных структур и их изменения под влияниемэлектромагнитного поля имеют большое теоретическое и практическое значение.Исследование электронных спектров жидких кристаллов актуально в связис ухудшением характеристик жидкокристаллических дисплеев под влияниемдневного или электрического света.

Колебательные спектры молекул являютсяважнойхарактеристикойвещества,онипозволяютидентифицироватьмолекулярные структуры. Полный набор найденных колебательных частотнеобходим для вычисления термодинамических функций. Таким образом,построение математической модели образования жидкокристаллической фазыявляется крайне актуальной задачей на сегодняшний день.3Цель и задачи исследованияЦелью работы является построение новой модели образования ЖК фазыс последующим решением некоторых частных проблем по определению физикохимических свойств материалов и ликвидация пробелов в теории строенияжидкокристаллических веществ.

Результатом этой работы должна явитьсявыработкапрактическихрекомендацийпоулучшениюжидкокристаллических дисплеев. В настоящей работехарактеристикисследование процессаобразования жидкокристаллической фазы проведено на примере молекулы CB5,с учетомпротяженнойструктурымолекулы,сильнополяризованнойцианогруппы и окружающей среды.Методы исследованияОсновными методами исследования являются методы математическогои компьютерного моделирования, численного эксперимента, методы квантовоймеханики и физики диэлектриков.Основные положения и результаты, выносимые на защиту1.Квантово-механическаяжидкокристаллическойфазы,математическаяучитывающаямодельобразованиявлияниевнешнегоэлектромагнитного поля континуальной среды на молекулу CB5 и ее ассоциаты.2.Результаты расчета жидкокристаллических систем, которые позволилиопределить структурные особенности конфигураций димеров и тримеровмолекулы 4-пентил-4′-цианобифенила (CB5) в вакууме.3.Методика определения электронных и физико-химических характеристикнаноструктур в вакууме.4.Анализ гибридных и мета-гибридных потенциалов метода функционалаэлектронной плотности при вычислении физико-химических характеристикнаноструктур с использованием программного комплекса Gaussian 09.5.Результаты расчета характеристик жидких кристаллов, определяющиесвойства материалов, оценка их изменений под влиянием поля.6.Комплекс программ, реализующий предложенную математическую модель.4Научная новизнаРассчитаныи тримеры)новыемолекулярныехарактерногоструктурыпредставителяассоциатовжидких(димерыкристаллов4-пентил-4′-цианобифенила.

Вычислены основные характеристики наноструктур:полные энергии, энергии связи, межатомные расстояния, заряды на атомах,дипольные моменты, колебательные и электронные спектры поглощения.Проведенанализфизико-химическихиразличныхэнергетическихметодоввычисленияхарактеристикжидкихосновныхкристалловс использованием гибридных и мета-гибридных потенциалов метода функционалаэлектронной плотности (density functional theory, DFT).Предложенаквантово-механическаяматематическаямодельвлияниявнешнего поля континуальной среды на структуру ассоциатов. Разработанопрограммное обеспечение, реализующее предложенную модель образованияжидкокристаллической фазы. Показано, что данная математическая модельобъясняет процессы самоорганизации в жидкокристаллической фазе.Все результаты, изложенные в оригинальной части диссертационнойработы, получены впервые и являются новыми.Практическая значимость работыПроведенное компьютерное моделирование по предложеннойквантово-механической математической модели позволило на молекулярном уровнеобъяснить процесс формирования жидкокристаллической фазы.

Разработанныеспособы определения физико-химических характеристик ассоциатов CB5 могутбыть применены к другим молекулам и наноструктурам. Предложенная модельобразования жидкокристаллической фазы позволяет прогнозировать свойстважидких кристаллов и их изменение под воздействием внешнего электрическогополя и служит основой практической реализации технологии создания новыхматериаловдляжидкокристаллическихдисплеевсулучшеннымихарактеристиками.Реализация и внедрение результатов работыРазработанныематематическаямодельиметодикирасчетовпозволилипредсказать свойства новых жидкокристаллических структур. Вычисленныеспектральныехарактеристикиявляются5необходимымаппаратомдля классификации спектров жидких кристаллов. Проведенное компьютерноемоделирование служит базой для усовершенствования механизма полученияперспективныхжидкокристаллическихнаносистем,которыемогутбытьиспользованы в качестве экранов дисплеев с заданными характеристиками.Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваютсякорректным применением методов квантовой механики, математическогомоделированияиквалифицированнымиспользованиемвозможностейсовременной вычислительной техники.

Результаты, полученные в диссертации,хорошо согласуются с известными экспериментальными данными.ПубликацииОсновные положения диссертации изложены в 7 опубликованных в печатиработах [1–7], в том числе 2 из них – в журналах, входящих в перечень ВАКи базу данных Scopus [1, 2].Апробация работыОсновные результаты работы докладывались на следующих конференциях:43-й, 44-й, 45-ймеждународныхконференцияхстудентовиаспирантов«Процессы управления и устойчивость» (СПб, СПбГУ, факультет ПМ-ПУ,2012 г., 2013 г., 2014 г.), V Всероссийской студенческой научной школе-семинарепо физике, нано-, био- и информационным технологиям (СПб, СанктПетербургский Академический университет, 2012 г.), Tenth international vacuumelectron sources conference IVESC'2014 (St.-Petersburg, Russia), Международнойконференции,посвященной85-летиюсоднярожденияВ.

И. Зубова«Устойчивость и процессы управления» (СПб, СПбГУ, 2015 г.), а такжеобсуждалисьнаэлектромеханическихнаучныхисеминарахкомпьютерныхкафедрысистеммоделированияфакультетаПМ-ПУСанкт-Петербургского государственного университета.Личный вклад автораВсе положения, выносимые на защиту, получены автором лично.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и спискалитературы. Объем работы составляет 107 страниц, среди них 25 таблици 30 рисунков. Список литературы включает 108 наименований.6СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна ипрактическая значимость, сформулированы цель работы и основные положения,выносимые на защиту.Первая главаПри разработке математической модели образования жидкокристаллическойфазы в диссертационной работе использованы методы квантовой механикии методы квантовой химии, в которых основополагающим являетсяпредставление о волновой функции как характеристике состояния системы.Задача нахождения структуры вещества и его физико-химических характеристикявляется трудоемкой и не может быть решена аналитически.