Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время физика жидких кристаллов является одной из наиболее интенсивно развивающихся областей науки, связанной с конденсированным состоянием вещества. Это обусловлено значительным интересом к их практическому применение в современной технике, а также широкому использование в качестве модельных систем при изучении различных физических явлений.
Одной из принципиальных задач теории мезоморфного состояния является установление причинно-следственной связи между физическими характеристиками отдельных мезогенных молекул и макроскопическими параметрами, характеризующими структурное упорядочение в мезоморфной фазе. Особое значенгэ эта задача имеет для поиска путей направленного синтеза мезогенных соединений, т.е. создания молекул, образующих мезофазу с заданными макроскопическими свойствами. В полном объеме ее решение при настоящем уровне развития науки, по-видимому, невозможно и до появления работ, вошедших в настоящую диссертации, такая задача не ставилась в принципе. Это связано, в первую очередь, с удивительным химическим многообразием мезогенных молекул и, соответственно, с различием возможных типов межмолекулярного взаимодействия. Значительные трудности, обусловленные необходимостью учета ориентациокных степней свободы, возникают и при статистическом описании мезоморфной системы. В такой ситуации микроскопическая теория молекулярного ансамбля ограничивается рамками полуэмпирических подходов и приходится идти по пути моделирования физической реальности как при расчете межмолекулярного взаимодействия, так и при выборе приближений статистической теории. Рассмотрение задач, связанных с настоящей проблематикой и определяет предмет исследований настоящей работы.
Очевидно, что при решении конкретных задач приходится учитывать как молекулярный, так и статистический аспекты проблематики. В данной работе центральными являются вопросы, связанные с моделированием особенностей пространственной и электронной структуры мезогенных молекул, расчетом анизотропного потенциала взаимодействия модельных структур, описанием эффектов внутримолекулярной динамики и т.п., а статистическое описание носит подчиненную роль. Вследст-вии этого в работе используются относительно простые приближения статистического описания, которые, тем не менее, позволяют достигать основной цели.
- г -
Цель работы. Основной целью настоящей работы является создание и реализация методов учета особенностей пространственного и электронного строения мезогенных молекул в микроскопической теории мезоморфного состояния и исследование их взаимосвязи с макроскопическими параметрами ыезофазы. Для ее достижения в работе рассмотрены следующие задачи:
-
Аналитический расчет парного анизотропного, потенциала универсальных взаимодействий мезогенных молекул сложной пространственной конфигурации.
-
Исследование взаимосвязи физических параметров, характеризующих индивидуальные особенности пространственного и.электронного строения мезогенных молекул, с макроскопическими параметрами мезо-фазы.
-
Статистическое описание ориентационного и трансляционного упорядочения в системе структурно нежестких мезогенных молекул и исследование влияния термического возбуждения внутримолекулярных степеней свободы на макроскопические параметри мезофазы.
Научная новизна. Научная новизна проведенных исследований заключается, прежде всего, в том, что впервые создана единая система представлений, позволяющая на причинно-следственном уровне связать основные физические параметры мезогенных молекул и макроскопические параметры мезоморфного состояния.
На различных этапах исследования были получены результаты, характеризующиеся определенной степенью новизны. Ь частности:
-
Развит аналитический метод расчета парного анизотропного потенциала универсальных взаимодействий молекул сложной пространственной конфигурации.
-
В приближении одночастичных функций распределения получены аналитические выражения, связывающие индивидуальные характеристики пространственного и электронного строения мезогенных молекул с энергетическими параметрами псевдопотенциала.
-
Предложен универсальный конформационный механизм, определяющий 'температурную зависимость макроскопических параметров мезоморфных систем, и исследованы разнообразные макроскопические проявления термического возбуждения внутримолекулярных степеней свободы мезогенных молекул.
-
Исследована" возможность влияния специфических химических реакций мезогенных молекул с неконтролируемыми примесями на форми-
рование конформационного энергетического спектра.
-
Исследовано влияние индивидуальных особенностей электронного и пространственного строения меэогенных молекул на макроскопические свойства многокомпонентных систем.
-
Предложен конформационньгй механизм температурно-концентра-іионньгх зависимостей макроскопических параметров многокомпонентных мезоморфных систем.
-
В приближениях, учитывающих эффекты ближнего порядка, проведены расчеты макроскопических параметров, характеризующих ориен-гационное упорядочение нематической мезофазы.
Защищаемые положения. В диссертационной работе на защиту выносятся:
-
Модельное представление реальных меэогенных молекул фрагментарной структурой, отражающей индивидуальные особенности пространственного и электронного строения молекул и метод количественной оценки адекватности фрагментирования.
-
Метод аналитического расчета анизотропного межмолекулярного потенциала универсальных взаимодействий, позволяющий получить явную зависимость энергии парного взаимодействия модельных фрагментиро-ванных молекул от физических параметров, характеризующих пространственную и электронную структуру молекул.
-
Молекулярная теория мезоморфизма, позволяющая в приближении одночастичных функций распределения установить систему причинно-следственных отношений, связывающих макроскопические параметры структурного упорядочения основных типов мезоморфного состояния (N, Ch, SmA) и индивидуальные особенности пространственной и электронной структуры молекул.
-
Молекулярная теория мезоморфизма в одно- и многокомпонентных системах структурно нежестких молекул, позволяющая описывать макроскопические эффекты, связанные с термическим возбуждением внутримолекулярных степеней свободы.
-
Результаты расчетов макроскопических параметров мезоморфного состояния в различных приближениях метода двухчастичного кластера, позволяющие корректно учитывать влияние особенностей локальной симметрии и ближнего порядка нематической мезофазы.
Практическая значимость. Выявленные в настоящей работе причинно-следственные связи между микроскопическими и макроскопическими параметрами меэогенных веществ позволяют определять направления
синтеза меаогенных соединений и создания композиционных материалов с характеристиками, требуемыми для практического применения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 11-ой (Ьеркли, 1986), 12-ой (Фрайбург, 1988), 13-ой (Ванкувер, 1990) 14-ой (Низа, 1992) Международных конференциях по жидким кристаллам, Зимней (Курмайер, 1991) и Летней (Вильнюс, 1991) Европейских конференциях по жидким кристаллам, 4-ой (.Тбилиси, 1981 ), 6-ой (Одесса, 1983), 6-ой (Галле, 1986), 7-ой (Пардубице, 1987 ), 8-ой (Краков, 1989) конференциях социалистических стран по жидким кристаллам, 5-ой (Иваново, 1985), 6-ой (Чернигов, 1988) Всесоюзных конференциях "Жидкие кристаллы и их практическое использование", 7-ом (Пушино, 1986), 8-ом (Новосибирск,1990) Всесоюзных симпозиумах по межмолекулярному взаимодействие и конформациям молекул, а также на научных семинарах в ИК РАН, ИФ АН Украины, ИЯИ АН Украины, ФТИНТ АН Украины, Киевском и Харьковском государственных университетах, Институтах Теоретической физики и Физической и теоретической химии берлинского технического университета, Института физики Франкфуртского университета и ряде других организаций.
Публикации. 11о теме диссертации автором опубликовано более 60 работ. Основные результаты изложены в работах, список которых приведен в конце настоящего реферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения , пяти глав, выводов и приложения.. Она изложена на «^Z страницах машинописного текста, содержит *Ґ рисунка, 3 таблицы и список литературы из <249 наименований.