Simulation cholesterischer Systeme im Volumen und in eingeschränkten Umgebungen unter Verwendung eines vergröberten Modells auf Ganghöhen-Ebene
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Flüssigkristalle sind Materialien, die Phasen zwischen den üblicherweise bekannten flüssigen kristallinen Phase zeigen. Dieser Zwischenzustand ist durch einen allmählichen Übergang von einer ungeordneten, flüssigkeitsähnlichen Anordnung der Moleküle zu einer geordneteren, kristallinen Struktur gekennzeichnet. Die verschiedenen flüssigkristallinen Phasen zeigen unterschiedliches Verhalten (z.B. in Bezug auf Flüssigkeit, Leitfähigkeit oder Wechselwirkung mit Licht). Die Bildung von flüssigkristallinen Phasen wird hauptsächlich den anisotropen Eigenschaften der konstituierenden Teilchen zugeschrieben, die durch ihre Form oder ihre Wechselwirkungen miteinander und mit externen Feldern entstehen. Wenn die Teilchen nicht nur anisotrop, sondern auch von chiraler Natur sind, kann eine sogenannte cholesterische Phase entstehen1. Diese Phase war eine der ersten flüssigkristallinen Phasen, die entdeckt wurden, weil das Material in spezifischen oder irisierenden Farben erscheint. Die Farbe hängt von der Ganghöhe der cholesterischen Helix ab, mit der die Ordnung der Moleküle beschrieben wird: Die Moleküle richten sich mit ihren Nachbarn aus, aber rotieren auf einer größeren Skala um eine Achse; eine vollständige Rotation bestimmt die Ganghöhe (auch „Pitch-Länge“) und damit die charakteristischen optischen Eigenschaften. Wie die molekularen Eigenschaften zu den makroskopischen flüssigkristallinen Eigenschaften übersetzt werden, ist noch nicht vollständig verstanden. Mit unserem Projekt wollten wir diese Lücke genauer untersuchen und ein vergröbertes Modell auf der Ebene der cholesterischen Ganghöhe entwickeln. Vergröberung beinhaltet die Vereinfachung der Beschreibung eines Systems durch Gruppierung einzelner Atome oder Moleküle in größere Einheiten, wodurch effizientere Simulationen ermöglicht werden – unser primäres Forschungswerkzeug. Diese Methode ermöglicht die Beobachtung des Materialverhaltens auf größeren Längenskalen im Vergleich zu traditionellen molekularen Modellen. Wir fanden heraus, dass vorherige Modelle für einen Zwischenschritt der Vergröberung kombiniert und verallgemeinert werden können. Mit der richtigen Kombination von Parametern kann unterschiedliches Phasenverhalten erreicht werden. Für das vergröberte Modell auf der Ganghöhen-Ebene haben wir eine Vorstellung davon entwickelt, dass Prismen verwendet werden können, die die Ganghöhen- Information enthalten und selbst flüssigkristalline Phasen bilden. Basierend auf einer vorherigen Studie über konkave verdrehte Prismen2 haben wir ein ähnliches Modell gewählt und das Phasenverhalten von konvexen verdrehten Prismen untersucht. Verschiedene Phasen wurden je nach Geometrie des Querschnitts der Prismen gefunden. Das Gesamtphasenverhalten wird jedoch durch das effektive Seitenverhältnis der Prismen bestimmt, das sich bei Verdrehung ändert. Mit diesen Studien und Beobachtungen haben wir einige Schritte in Richtung perfekter Kontrolle von (cholesterischen) flüssigkristallinen Systemen gemacht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Excluded volume interactions and phase stability in mixtures of hard spheres and hard rods. Physical Chemistry Chemical Physics, 24(19), 11820-11827.
Opdam, Joeri; Gandhi, Poshika; Kuhnhold, Anja; Schilling, Tanja & Tuinier, Remco
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Phase behavior of the generalized chiral Lebwohl-Lasher model in bulk and confinement. Physical Review E, 105(5).
Elsässer, P. & Kuhnhold, A.
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Structure of nematic tactoids of hard rods. The Journal of Chemical Physics, 156(10).
Kuhnhold, Anja & van der Schoot, Paul
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The effect of particle geometry and initial configuration on the phase behavior of twisted convex n-prisms. Soft Matter, 20(27), 5351-5358.
Gandhi, Poshika & Kuhnhold, Anja
