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液晶材料的结构与动力学研究

陈敏智  
【摘要】:在液晶材料的研究中,材料的相结构与分子构象对于器件性能的影响有着非常重要的影响。尤其是对于被视为潜在的或已经可以用于发光二极管、光电响应器件、显示元件等领域的有机半导材料,对其液晶相结构的调控与其用途息息相关。即使是同样化学组成的材料,随着在基底表面排列方式(站立或平躺在基底上)相结构(层状结构或柱状结构)等的不同,其应用也有着很大的区别。 由于液晶材料往往处于热力学的亚稳态,对于常见的由刚性液晶基元与柔性侧链组成的液晶材料,可以通过化学基团改性、分子大小形状的调控、基底修饰、温度控制、热历史调节等方法,获得不同的相结构。 本论文中,我们主要以二萘嵌苯的二酰亚胺类衍生物(PDIs)为代表,展示了通过取代基修饰、改变柔性链长等方法,获得具有各种特异性结构的PDIs 1,前人有人利用在液晶基元上直接引入氢键官能团,得到过π-π堆积距离只有0.32nm的碟状液晶的柱状相。我们借鉴这种方法,通过在分子的侧链β位引入酯基,并减小a位的位阻,我们利用相邻PDI分子酯基间的极性相互作用与π-π堆积作用相互增强的效应,第一次获得了具有紧密π堆积层状相结构PDIs,其层内相邻PDI分子之间的π-π堆积距离同样只有0.33nm。 2, P. G. de Gennes在其The physics of liquid crystals中早已指出:液晶分子的长径比由小到大,会使其对应的相结构由柱状相向层状相变化。并且早已为大量的实验所证实。我们合成了侧链a位位阻不对称取代的PDIs衍生物,通过调节侧链烷烃链的长度,也获得了六方柱状相向层状结构的变化。然而 a,我们得到的六方柱状相结构中,具有两套相互独立的点阵结构,是一种自为主客体的非公度结构。并且这种结构在高温(115℃)退火可以得到常规的六方柱状相结构。这是第一次在常压下,也是第一次对于有机材料,获得自为主客体的非公度结构。 b,我们所得到的层状结构液晶具有光学各向同性。通常这种各向同性液晶相只在具有立方对称性的蓝相Ⅲ中有过报道,可以用于快速光电响应器件;但是这种蓝相Ⅲ稳定存在的温度范围(60℃)通常很窄。我们得到的各向同性液晶具有层状结构,可以在非常宽的温度范围(150℃)稳定获得,并且热力学可逆。 除了通过化学修饰获得了各种特异相结构以外,我们还研究了小分子液晶辛氧基联苯氰(80CB)快速升降温下的动力学行为。通过合适的升降温的过程我们第一次通过非溶液的方法获得了80CB的亚稳态square plate型结晶,并观察到结晶熔融过程中亚稳态结晶向稳态结晶的快速重排过程。此外,我们还捕捉到由于重排不完全而造成的复杂N-I转变。


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