Введение к работе
Актуальность проблемы. Новейшие информационные дисплеи (жидкокристаллические дисплеи систем коммуникации, измерения и управления производственными процессами) требуют разработки жидкокристаллических материалов (ЖКМ) с заданными характеристиками, причем для каждого конкретного применения необходим подбор ЖКМ с оптимальными параметрами.
Современные ЖКМ – это многокомпонентные смеси жидкокристаллических веществ (ЖКВ) и специальных добавок, свойства которых зависят от индивидуальных характеристик всех компонентов и от характера межмолекулярных взаимодействий при их смешивании. В большинстве случаев при разработке ЖКМ наблюдается неаддитивное поведение свойств ЖКВ в смесях, что делает необходимым изучение:
1) свойств жидкокристаллических соединений в зависимости от их химической структуры;
2) свойств смесей в зависимости от их состава.
Настоящая работа касается решения первой части этой проблемы. Касаясь предсказаний свойств по структуре ЖКВ, следует отметить, что в случае индивидуальных соединений, благодаря накопленному опыту по изучению химической структуры, возможно лишь сделать грубое представление об их физико-химических свойствах. Более точное качественное, не говоря уже о количественном описании свойств индивидуальных ЖК веществ, требует тщательного рассмотрения характера межмолекулярных взаимодействий в жидкокристаллической среде. С теоретической точки зрения этот вопрос, как известно, весьма далек от разрешения. Поэтому чрезвычайно важным является экспериментальное систематическое изучение свойств различных ЖКВ, молекулярная структура которых, будучи в целом весьма сходной, известным образом меняется. Такое рассмотрение позволяет определить, какую роль играет тот или иной молекулярный фрагмент молекулы ЖКВ в общей картине его физико-химических параметров. А это, в свою очередь, дает возможность выбора подходящих компонентов ЖКМ и конструирования молекулярных структур для будущего направленного синтеза, которые могли бы иметь желаемые свойства.
Рассматривая эту проблему более конкретно, следует принять весьма интересным объектом для исследования новые жидкокристаллические производные бензола, оксадиазола, тиадиазола, циклопентана, циклогептана, циклогексана, циклогексена, диоксана, 1,3,2-диоксаборинана, пиридина, пиримидина, бицикло[2.2.2]октана, 5,6,7,8-тетрагидрохинолина. В том числе интерес среди них представляют цианопроизводные и фторированные производные различных химических классов, поскольку они являются существенными компонентами большинства ЖКМ для электрооптических устройств. В частности, интерес к производным пиридина вызван тем, что они в большинстве случаев представляют собой ЖК соединения с интервалом мезофаз, удобным для исследования. Производные пиридина, благодаря наличию атома азота в кольце, дают целую серию сходных молекулярных структур, отличающихся лишь положением атома азота по отношению к другим частям молекулы. Это приводит к значительному различию в свойствах весьма близких по структуре соединений, что можно объяснить, выяснив роль атома азота в пиридиновом кольце.
Получение широкого набора экспериментальных результатов по физико-химическим свойствам новых жидкокристаллических производных приведет не только к определенным научным выводам, но и позволит обоснованно использовать те или иные соединения при разработке новых ЖКМ.
Таким образом, определение закономерностей влияния химической структуры жидких кристаллов на их физико-химические свойства представляется весьма интересной с научной точки зрения и актуальной в связи с разработкой новых ЖКМ для электрооптических устройств.
Цели и задачи исследования. Основной целью настоящей работы являлось определение закономерностей влияния химической структуры индивидуальных жидкокристаллических соединений на их функциональные свойства, к которым относятся мезоморфные, диэлектрические, оптические, упругие и другие физико-химические характеристики.
Для достижения поставленной цели решались следующие конкретные задачи:
1) экспериментальное исследование функциональных и рентгеноструктурных параметров жидкокристаллических производных бензола, оксадиазола, тиадиазола, циклопентана, циклогептана, циклогексана, циклогексена, диоксана, 1,3,2-диоксаборинана, пиридина, пиримидина, бицикло[2.2.2]октана, 5,6,7,8-тетрагидрохинолина;
2) квантово-химическое моделирование структуры производных бензола;
3) установление связи между химической структурой вышеуказанных классов соединений и их функциональными характеристиками; а также выдача рекомендаций по синтезу новых жидких кристаллов с заранее заданными свойствами.
Научная новизна исследования. Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
Впервые систематически исследовано и показано влияние структурных фрагментов широкого класса карбо- и гетероциклических соединений на их мезоморфные, диэлектрические, оптические, вязкие, упругие свойства и молекулярную упаковку.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Результаты исследования функциональных и рентгеноструктурных параметров 736 жидкокристаллических производных бензола, оксадиазола, тиадиазола, циклопентана, циклогептана, циклогексана, циклогексена, диоксана, 1,3,2-диоксаборинана, пиридина, пиримидина, бицикло[2.2.2]октана, 5,6,7,8-тетрагидрохинолина;
2) Результаты квантово-химического моделирования структуры производных бензола;
3) Полученные закономерности влияния химической структуры карбо- и гетероциклических жидкокристаллических соединений на их физико-химические свойства.
Практическая значимость работы. На основе полученных закономерностей влияния химической структуры жидких кристаллов на их функциональные характеристики были разработаны принципы выбора компонентов жидкокристаллических материалов для электрооптических устройств. Разработан ассортимент ЖКМ, включающий в себя ЖКМ общего назначения, низковольтные ЖКМ, бинарные ЖКМ, низкомультиплексные ЖКМ, широкотемпературные ЖКМ, ЖКМ для активных матриц и сегнетоэлектрические ЖКМ. Методы синтеза и структуры новых жидких кристаллов, составы разработанных жидкокристаллических материалов, структура и технология изготовления новых жидкокристаллических дисплеев, включающих эти материалы защищены 42 авторскими свидетельствами СССР, патентами РФ, США, Японии, Кореи, Китая, Германии, Франции, Великобритании, Канады, Польши, Венгрии, международными и европейским патентами.
За разработку и организацию производства жидкокристаллических материалов автору была присуждена Премия Советов Министров СССР в области науки и техники в 1989 г.
Лицензия на производство ЖК производных пиридина была продана японской компании Dainippon Ink в 1988 г. Лицензия на производство ЖК производных 1,3,2-диоксаборинана была продана корейской компании Samsung Display Devices в 1996 г. Лицензия на производство ЖК производных пиридина была продана немецкой фирме Merck в 1997 г.
В 2011 г. автор был включен в биографическое издание Marquis Who’s Who in the World, раздел Science and Engineering.
Личный вклад автора. Личный вклад диссертанта состоит в формулировке научных проблем и выборе основных направлений исследований, разработке методик проведения экспериментов и их аппаратурного оформления, непосредственном проведении или участии в проведении экспериментов, обсуждении их результатов и их оформлении в виде научных публикации и докладов.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на следующих конференциях: Пятая конференция социалистических стран по жидким кристаллам, Одесса, 1983; 10th International Liquid Crystal Conference, York, U.K., 1984; 6th Liquid Crystal Conference of Socialist Countries, Halle, GDR, 1985; V Всесоюзная научная конференция “Жидкие кристаллы и их практическое использование”, Иваново, 1985; 7th Liquid Crystal Conference of Socialist Countries, Pardubice, Czechoslovakia, 1987; 12th International Liquid Crystal Conference, Freiburg, FRG, 1988; VI Всесоюзная конференция “Жидкие кристаллы и их практическое использование”, Чернигов, 1988; 8th Liquid Crystal Conference of Socialist Countries, Krakow, Poland, 1989; 13th International Liquid Crystal Conference, Vancouver, Canada, 1990; Summer European Liquid Crystal Conference, Vilnius, Lithuania, 1991; 14th International Liquid Crystal Conference, Pisa, Italy, 1992; European Conference on Liquid Crystal Science and Technology, Flims, Switzerland, 1993; 15th International Liquid Crystal Conference, Budapest, Hungary, 1994; IS&T/SPIE Symposium: Liquid Crystal Materials, Devices, and Applications , San Jose, USA, 1995; 16th International Display Research Conference, Birmingham, England, 1996; Японские жидкокристаллические конференции 1998, 1999, 2000; 5th International Display Workshops, Kobe, Japan, 1998; 2nd Asian Symposium on Organized Molecular Films for Electronics and Photonics, Guanghua Building, Peking University, Beijing, China, 1998; The 76th National Meeting of the Chemical Society of Japan, Gymnasium of Kanagawa University, Yokohama City, Japan, 1999; 48th Annual Meeting of the Japan Society of Polymer Science, Kyoto, Japan, 1999; 18th International Liquid Crystal Conference, Sendai, Japan, 2000.
Публикации. По теме диссертации опубликована 121 научная работа: 27 обзорных научных статей в ведущих мировых изданиях, 52 научные статьи (из них 15 - в журналах, рекомендуемых ВАК, 34 - в ведущих мировых изданиях), 42 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора по тематике проведенных исследований, двух глав, в которых описаны и обсуждены результаты исследований, выводов по работе и списка литературы из 499 наименований. Она изложена на 438 страницах машинописного текста и включает 74 рисунка, 87 таблиц и 103 схемы.
