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分子动力学模拟(MolecularDynamics simulation,简称MD模拟)是原子、分子水平上求解多体问题的重要计算机模拟方法,组成这个多体体系的粒子遵守经典力学定律,通过模拟这组粒子在相空间的轨迹,基于统计力学原理,可以获得体系的宏观性质。本文利用分子动力学模拟方法,研究液晶体系的平衡态性质和非平衡态性质。
MD模拟的第一步是建立描述体系的模型。针对大多数液晶分子是刚性分子的实验结果以及目前有关液晶的连续介质理论和分子理论都将液晶分子粗粒化成棒子的做法,我们用两两相互作用的椭球来模拟液晶分子,椭球模型比较接近真实液晶分子,而且容易和理论结果进行比较。分子间相互作用势采用目前应用广泛的Gay-Berne势。通过平衡态恒温分子动力学模拟,我们观察到Gay-Berne体系在不同温度下经历了各向同性相、向列相和两种层状相,并通过序参数和描述分子质心排列相关性和取向相关性的分布函数判断出相变点。
在平衡态模拟的基础上,我们对模型稍加修改,利用非平衡态恒温分子动力学方法模拟了向列相液晶的剪切流。这个模拟是为考察Ericksen-Leslie.Parodi向列相液晶流体动力学理论(简称ELP理论)而设计的。该理论中的本构方程里含有6个未知的粘滞系数,称为Leslie系数,它们由一个Parodi关系(α<,2>+α<,3>=α<,6>-α<,5>)联系。首先我们整理出Leslie本构关系在剪切流下的公式,发现只要在一系列具有不同指向矢的稳态中测量某些应力分量,通过拟合某些公式就能把所有的Leslie系数确定出来。我们还从理论上分析了液晶剪切流中的力矩平衡关系,推导出指向矢与外场和剪切率的关系,这可能为实验和计算机模拟中如何通过外场控制体系的指向矢提供有益的指导。比较以往相关的实验和模拟工作,我们不但给出了满足Parodi关系的6个Leslie系数的数值,而且提供了对连续性本构关系的一个直接验证。有了Leslie系数的值,给定外场和剪切率,指向矢的方位可通过我们推导的关系式预测出来,预测值与MD模拟测量的数值吻合。我们的模拟结果表明,在Gay-Berne向列相液晶的翦切流中,粘性应力与指向矢及流场的耦合关系可以用ELP理论很好地描述。