Диссертация (1149828)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиАндреева Татьяна АнатольевнаМОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСИСТЕМ05.13.18 Математическое моделирование, численные методыи комплексы программДиссертация на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководительд. ф.-м. наук, профессорЕгоров Николай ВасильевичСанкт-Петербург – 20162ОглавлениеВведение ........................................................................................................................................3Глава 1. Математическое моделирование наноразмерных структур .............................111.1.1.1.1.Квантово-механические методы для многоэлектронных систем ................................12Метод самосогласованного поля .................................................................................151.1.2.
Представление волновой функции в виде линейной комбинации атомныхорбиталей......................................................................................................................................191.2. Сравнительный анализ способов расчета структур методом функционалаэлектронной плотности ...............................................................................................................211.2.1.Представление функционала электронной плотности ..............................................251.2.2.Гибридные и мета-гибридные методы DFT ...............................................................271.3.Методы учёта влияния континуальной среды на молекулярные комплексы ............301.3.1.Модель поляризуемого континуума (PCM) ...............................................................311.3.2.Математическая модель образования жидкокристаллической фазы вещества ......331.4.Методика вычисления колебательных спектров наноразмерных систем ...................361.5.Программный комплекс Gaussian 09 ..............................................................................39Глава 2.
Моделирование равновесной геометрии и свойств молекулярныхкомплексов в вакууме ..............................................................................................................442.1.Молекула 4-пентил-4’-цианобифенила (CB5). Обзор экспериментальных данных ..442.2.Структура молекулы CB5. Сравнение с экспериментом ..............................................472.3.Моделирование процесса димеризации 4-пентил-4’-цианобифенила ........................532.3.1.Геометрические и электронные характеристики димеров CB5 ...............................532.3.2. Инфракрасные и электронные спектры поглощения димеров CB5.
Отнесениеполос……………… .....................................................................................................................602.4.Моделирование процесса ассоциации 4-пентил-4’-цианобифенила ...........................692.4.1.Структуры тримеров CB5 ............................................................................................692.4.2.Вычисление физико-химических характеристик тримеров CB5 .............................72Глава 3. Результаты моделирования ассоциатов молекул CB5 с учётом влияниясреды ............................................................................................................................................763.1.Результаты применения модели PCM ............................................................................773.2.Модель образования жидкокристаллической фазы ......................................................793.3.
Сравнительная характеристика способов образования димеров и тримеровразличными методами DFT .......................................................................................................823.4.Сходимость процесса оптимизации геометрии ассоциатов CB5 ................................843.5.Спектральные характеристики ассоциатов CB5 ...........................................................89Заключение .................................................................................................................................93Список литературы ...................................................................................................................963ВведениеМировое производство жидкокристаллических индикаторов и дисплеевисчисляется миллиардами и, вероятно, будет увеличиваться и дальше.
Какследствие этого, развитие ряда отраслей науки и техники и их прогрессневозможны без фундаментальных и прикладных исследований вобластижидких кристаллов. Жидкие кристаллы (ЖК) представляют интерес нетолько с точки зрения их технических применений, но так же с точки зренияразвитиябиологии,процессовжизнедеятельности,функционированияклеточных мембран и ДНК, работы мышц, передачи нервных импульсов,формирования атеросклеротических бляшек — это все перечень процессов,протекающих в жидкокристаллической фазе [1,2].По физико-химическим свойствам ЖК занимают промежуточноеположение между изотропными жидкостями и анизотропными твердымителами. Из-за высокой подвижности молекул, наличия в них сильнополяризованных групп, высоких значений дипольных моментовичувствительности к внешнему электромагнитному полю, ЖК обладаютрядом специфических свойств, позволяющих выделить их в отдельный класс.Их можно охарактеризовать как особое состояние органических веществ, вкоторомонипространственныеобладаюттекучестьюструктуры,подобныеисвойствомкристаллическимобразовывать[3,4].Подвоздействием внешнего поля ЖК могут изменять свою микроструктуру ифизическиесвойства,являясьвэтомсмыслефункциональнымиматериалами.
Следует отметить, что до сих пор полная математическистрогая теория жидких кристаллов не построена. Не решен также рядчастных проблем, важных с точки зрения технических применений, вчастности,недостаточноизученаспецификамежмолекулярныхвзаимодействий, отвечающая за изменение их структуры с учетоманизотропии вещества.4Актуальность работыПостроениематематическистрогойиполноймоделижидкокристаллической фазы и ее образования является крайне актуальнойзадачей на сегодняшний день.
С ее помощью может быть решена задачапоиска новых ЖК веществ, практические рекомендации по которым могутбытьиспользованыприконструированииприборовсзаданнымихарактеристиками.Современные методы квантовой механики и квантовой химиипозволяют описать различные физико-химические свойства систем сточностью,сравнимойКолебательныеспектрысданнымимолекулэкспериментальныхявляютсяважнойметодов.характеристикойвещества, они позволяют идентифицировать молекулярные структуры.Полный набор найденных колебательных частот необходим для вычислениятермодинамическихфункций.Исследованиеэлектронныхспектровпоглощения жидкокристаллических веществ, влияние на них структурыжидкокристаллической фазы актуально в связи с широким использованиемжидкокристаллических дисплеев и анализом ухудшения их характеристик современем под влиянием дневного и электрического света.
Одним изхарактерныхпредставителейобразованиюжидкихорганическихкристаллов,являютсямолекул,способныхмолекулык4-пентил-4’-цианобифенила (4-cyano-4′-n-pentylbiphenyl (CB5)) и его аналоги CB6, CB8,CB9. При исследовании мезотропной жидкокристаллической фазы CB5методами инфракрасной спектроскопии наблюдается полоса в области 2252см-1 со сложным контуром.
Природу этого явления также до сих пор неудалось объяснить [5]. Можно предположить, что данная полоса состоит изнесколькихполос,соответствующихразличнымзначениямчастотколебаний, которые связаны с различными структурами ассоциатов CB5,образованныхвжидкокристаллическойфазе.Чтобыпроверитьэто5предположениенеобходимовычислитьзначениячастотнормальныхколебаний как для молекулы CB5, так и для ее димеров и тримеров.Модельжидкокристаллическойфазыпомимоассоциатовсопределенной структурой должна учитывать изотропную континуальнуюсреду, которая создается молекулами окружения. Разработка этой модели ирасчетыфизико-химическиххарактеристиквещества,несомненно,актуальны и являются основным содержанием диссертационной работы.Квантово-механическое исследование для этих структур на атомномолекулярном уровне с учетом всех типов межмолекулярных сил, до сих порне проводилось.
Решение этой задачи требует применения сложныхсовременных расчетных методов и больших затрат вычислительныхресурсов.Предложенные в диссертации математические модели и методикирасчетов структуры ассоциатов (димеров и тримеров) цианобифенилов,энергийсвязи,дипольныхмоментовассоциатов,колебательныхиэлектронных спектров изученных структур и их изменения под влияниемэлектромагнитного поля имеют большое теоретическое и практическоезначение.Цель и задачи исследованияЦельюработыявляетсяжидкокристаллическихвеществликвидацияипостроениепробеловновыхвтеориимоделейспоследующим решением некоторых частных проблем по определениюфизико-химических свойств материалов. Результатом этой работы должнаявиться выработка практических рекомендаций по созданию новыхматериаловдляхарактеристиками.жидкокристаллическихдисплеевсулучшенными6Для этого в диссертационной работе проведено изучение процессовобразования жидкокристаллической фазы на примере молекулы CB5, сучетомпротяженнойструктурымолекулы,сильнополяризованнойцианогруппы и окружающей среды.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
