Simulation of liquid crystalsComput

Simulation of liquid crystals
Computer simulation has become a well-used method for the study of liquid crystalline systems. Current state-of-the-art includes work right across the time and length scales encompassing lattice models, anisotropic single site potentials (both hard and soft), multi-site coarse-grained models and atomistic modelling. In each area, the first generation of challenges has been met; and it is now possible to
• “see” many simple liquid crystal phase (nematics, smectics) in the computer (i.e. produce effective models that capture the essential interactions), 
• make predictions for key materials properties such as order parameters, nematic elastic constants and rotational viscosities, 
• calculate “complete” phase diagrams for simple models.

However, recently a new set of challenges have arisen, which demand new models, and new simulation techniques. These include the following areas…
• simulation of novel phases (cubatics, bicontinuous cubic, banana phases, blue phases) and the simulation of unusual molecular architectures e.g. (bowlic, multipedal mesogens)
• the study of chiral interactions and the formation of chiral structures and phases from achiral molecules;
• simulation of biaxial nematics - the role played by dipole and quadrupole interactions in the stabilization of bent core mesogens, including the importance (or lack of) of ferroelectric cybotactic domain formation in bent core species
• simulation of chromonics liquid crystals (the role of enthalpic vs. entropic driving forces in aggregation)
• interaction of mesogens with surfaces and formation of defects
• simulation of macromolecular liquid crystal species
• developments in atomistic simulations - use of polarizable potentials
• simulation of liquid crystals across the length and time scales (coarse-graining)
• extraction of direct correlation functions in calamitic nematic, discotic nematic, smectic-A and columnar phases for comparison with theory
• -linking of coarse-grained simulation to continuum models and theory.

These simulation challenges can be summarized as involving three key tasks, (i) the simulation of new phases through the development of new models, (ii) the development/application of new simulation methods to liquid crystalline systems, (iii) dramatically improving the link between simulation and theory (see below). 

Theoretical Considerations
The equilibrium theory of isotropic fluids is fairly mature. One can use virial expansions, integral equation theory and perturbation methods to provide good predictions of the structure and thermodynamic properties of homogeneous systems, whilst the advent of good density functional theories, such as provided by fundamental measure theory, has allowed an excellent understanding of inhomogeneous situations.

On the dynamical front, Enskog theory has proved successful in predicting transport properties of gases up to moderate densities and mode-coupling approaches have now allowed one to study dense fluids and made striking predictions about the glass transition.

The theory of liquid crystals is much less advanced. To date, most equilibrium theory is based on a scaled second virial approach, which is very unsophisticated compared to the methods commonly applied to isotropic systems. Very few systems are amenable to fundamental measure theory (infinitely thin hard plates being a rare example) so little is known at a molecular scale about inhomogeneous systems. 

As for dynamics, Enskog theory has been applied to nematics but, to our knowledge, no high density techniques, such as mode-coupling theory, have been applied. For more ordered liquid crystalline phases, such as smectics or columnar phases, there is virtually no molecular-based theoretical accounts.

It is possible to outline a series of outstanding problems:
• Is it possible to apply liquid state integral equation theory and/or high level virial expansions to liquid crystalline phases?
• What are the prospects of extending methodologies, such as SAFT, to provide high quality predictions of the behaviour of real liquid crystalline systems?
• What are the prospects for developing fundamental measure theories applicable to inhomogeneous liquid crystals?
• How can one apply Enskog/mode-coupling theory to liquid crystalline phases?
• How might computer simulation best be used to advance this field?

In brief, the theory challenges can be summarized as involving two key tasks, (i) the development of higher levels theories for liquid crystalline systems, and (ii) and dramatically improving the link between simulation and theory. 

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

จำลองของผลึกเหลวคอมพิวเตอร์จำลองได้กลายเป็น วิธีการใช้ห้องศึกษาระบบผลึกเหลว ปัจจุบันรัฐ-of-the-art รวมงานข้ามเวลา และปรับขนาดความยาวล้อมโครงตาข่ายประกอบโมเดล anisotropic เดี่ยวศักยภาพไซต์ (ทั้งหนัก และนุ่ม), หลายรูปแบบ coarse-grained และแบบจำลอง atomistic ในแต่ละพื้นที่ รุ่นแรกความท้าทายได้ไปตาม และก็ตอนนี้ไป• "เห็น" ผลึกเหลวได้หลายระยะ (nematics, smectics) ในคอมพิวเตอร์ (เช่นผลิตผลรุ่นที่การโต้ตอบที่จำเป็น), •ทำการคาดคะเนสำหรับคุณสมบัติวัสดุหลักเช่นพารามิเตอร์ใบสั่ง nematic คงความยืดหยุ่น และ viscosities ในการหมุน •คำนวณ "สมบูรณ์" เฟสไดอะแกรมสำหรับแบบจำลองอย่างง่ายอย่างไรก็ตาม เมื่อเร็ว ๆ นี้ชุดของความท้าทายใหม่มีเกิดขึ้น ซึ่งรุ่นใหม่ความต้องการ และเทคนิคการจำลองใหม่ เหล่านี้รวมต่อไปนี้...•จำลองระยะนวนิยาย (cubatics, bicontinuous ลูกบาศก์ กล้วยระยะ ระยะสีน้ำเงิน) และการจำลองสถาปัตยกรรมโมเลกุลที่ผิดปกติเช่น (mesogens bowlic, multipedal)•การศึกษาสารเคมี chiral อนุโต้ตอบและการก่อตัวของโครงสร้างสารเคมี chiral อนุและระยะจากโมเลกุล achiral• biaxial nematics - การจำลองบทบาทเล่น dipole และ quadrupole โต้ตอบในเสถียรภาพของ mesogens แกนโค้ง รวมความสำคัญ (หรือขาด) ผู้แต่งโดเมน ferroelectric cybotactic ในสปีชีส์หลักโค้ง•จำลองของผลึกเหลว chromonics (บทบาทของ enthalpic กับกองกำลังขับ entropic ในรวม)•โต้ตอบของ mesogens กับพื้นผิวและการก่อตัวของข้อบกพร่อง•จำลองพันธุ์ macromolecular ผลึกเหลว•พัฒนาใน atomistic จำลอง - ใช้ศักยภาพ polarizable•จำลองของผลึกเหลวในความยาวและเวลาปรับขนาด (หยาบ-graining)•สกัดฟังก์ชันความสัมพันธ์โดยตรงใน calamitic nematic, discotic nematic ระยะ smectic A และคอลัมน์เปรียบเทียบกับทฤษฎี•-การเชื่อมโยงของการจำลอง coarse-grained เพื่อความต่อเนื่องแบบจำลองและทฤษฎีการความท้าทายการจำลองเหล่านี้สามารถสรุปเป็นเกี่ยวข้องกับงานหลักสาม, (i) การจำลองระยะใหม่ผ่านการพัฒนารูปแบบใหม่, (ii) พัฒนา/ใช้ใหม่วิธีการจำลองระบบผลึกเหลว, (iii) ในกรณีปรับปรุงการเชื่อมโยงระหว่างการจำลองและทฤษฎี (ดูด้านล่าง) พิจารณาทฤษฎีทฤษฎีสมดุลของของเหลว isotropic จะค่อนข้างเป็นผู้ใหญ่ หนึ่งสามารถใช้ขยาย virial สมการที่เป็นทฤษฎีและ perturbation วิธีการให้ดีการคาดคะเนของโครงสร้างและคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบเหมือน ในขณะที่มายทฤษฎีทำงานดีความหนาแน่น เช่นโดยวัดพื้นฐานทฤษฎี ให้ได้ความเข้าใจแห่งสถานการณ์ใช้งานได้ด้านหน้า dynamical ทฤษฎี Enskog ได้พิสูจน์ความสำเร็จในการทำนายขนส่งคุณสมบัติของก๊าซขึ้นอยู่กับความหนาแน่นปานกลาง และโหมดคลัปวิธีตอนนี้ได้อนุญาตให้การศึกษาของเหลวความหนาแน่นสูง และทำโดดเด่นคาดการณ์เกี่ยวกับการเปลี่ยนกระจกทฤษฎีของผลึกเหลวจะสูงมากน้อย วันที่ ทฤษฎีสมดุลส่วนใหญ่จะขึ้นปรับสัดส่วนได้สอง virial วิธีการ ซึ่งเป็นการเปรียบเทียบกับวิธีการทั่วไปกับระบบ isotropic วันมาก บางระบบจะคล้อยตามการวัดพื้นฐานทฤษฎี (เพียบบางหนักแผ่นเป็นอย่างน้อย) ตกจึงน้อยมากเป็นที่รู้จักในระดับโมเลกุลเกี่ยวกับระบบงาน สำหรับ dynamics, Enskog มีการใช้ทฤษฎี nematics แต่ เพิ่ม เทคนิคไม่มีความหนาแน่นสูง เช่นทฤษฎีคลัปโหมด มีการใช้ การสั่งเพิ่มเติมของเหลวผลึกระยะ เช่น smectics หรือระยะเรียงเป็นแนวตั้ง มีแทบไม่มีโมเลกุลโดยใช้ทฤษฎีบัญชีจำเป็นต้องร่างชุดของปัญหาคงค้าง:•เป็นการใช้ทฤษฎีสมการเป็นสภาวะของเหลวและ/หรือขยาย virial ระดับสูงกับระยะของผลึกเหลว•แนวโน้มของการขยายหลักสูตร เช่น SAFT ให้คาดคะเนคุณภาพของพฤติกรรมของระบบผลึกเหลวจริงมีอะไรบ้าง•แนวโน้มการพัฒนาทฤษฎีวัดพื้นฐานที่ใช้กับงานของเหลวผลึกคืออะไร•วิธีสามารถหนึ่งกับทฤษฎี Enskog โหมดคลัปเฟสผลึกเหลว•วิธีอาจจำลองคอมพิวเตอร์ส่วนใช้เป็นฟิลด์นี้ล่วงหน้าสังเขป สามารถสรุปความท้าทายทฤษฎีเกี่ยวข้องกับงานสองคีย์ ระบบผลึก (i) การพัฒนาทฤษฎีระดับสูงสำหรับของเหลว และ (ii) และการเชื่อมโยงระหว่างทฤษฎีและการจำลองการปรับปรุงอย่างมาก

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

การจำลองการจำลองผลึกเหลว
คอมพิวเตอร์ได้กลายเป็นดีใช้วิธีการศึกษาระบบผลึกเหลว - ปัจจุบันมีงานที่เหมาะสมทั้งระยะเวลาและระดับกลางรุ่นขัดแตะศักยภาพเว็บไซต์ทิศทางเดียว ( ทั้งหนักและเบา ) หลายเว็บไซต์ที่มีเนื้อหยาบรุ่นและแบบจำลองปรมาณู . ในแต่ละพื้นที่รุ่นแรกของความท้าทายนี้ได้ และมันคือตอนนี้สามารถที่จะ
- " เห็น " เฟสผลึกเหลวมากง่าย ( nematics smectics , ) ในคอมพิวเตอร์ ( เช่นผลิตที่มีประสิทธิภาพที่สามารถจับภาพของนางแบบจำเป็น ) รึเปล่า
- ให้ทำนายคุณสมบัติวัสดุที่สำคัญเช่นพารามิเตอร์ค่าคงที่ยืดหยุ่นเนมาติกมีความสำคัญเพื่อที่ ความหนืด รึเปล่า
- คำนวณ " แผนภาพเฟสเสร็จสมบูรณ์ " แบบง่าย ๆ .

อย่างไรก็ตาม เมื่อเร็ว ๆ นี้เป็นชุดใหม่ของความท้าทายที่ได้เกิดขึ้น ซึ่งความต้องการรูปแบบใหม่ และเทคนิคการจำลองแบบใหม่ เหล่านี้รวมถึงพื้นที่ดังต่อไปนี้ . . . . . . .
- จำลอง ( นวนิยาย ) cubatics bicontinuous ลูกบาศก์ , กล้วย , ขั้นตอน , ขั้นตอนสีฟ้า ) และการจำลองโมเลกุลสถาปัตยกรรมที่ผิดปกติเช่น ( bowlic multipedal
, mesogens )- การศึกษาปฏิสัมพันธ์ chiral และจัดตั้งโครงสร้าง chiral และระยะจากโมเลกุล achiral ;
- การจำลองพฤติกรรม nematics - บทบาทเล่น โดยมีคำและปฏิสัมพันธ์ในการ mesogens หลักงอ รวมถึงความสำคัญ ( หรือขาด ) ของโดเมนที่สร้างขึ้นใน cybotactic เฟอร์โรอิเล็กทริกชนิด
แกนโค้ง- การจำลอง chromonics ผลึกเหลว ( บทบาทของ enthalpic vs entropic แรงผลักดันในการปฏิสัมพันธ์ของ )
- mesogens กับพื้นผิวและการก่อตัวของข้อบกพร่อง
- การจำลอง macromolecular ผลึกเหลวชนิด
- ของจำลอง - ปรมาณูใช้ polarizable ศักยภาพ
- จำลองของผลึกเหลวในความยาวและเวลา เครื่องชั่ง ( graining หยาบ )
- การสกัดความสัมพันธ์ในการทำงานโดยตรง calamitic เนมาติก discotic เนมาติก , , และ smectic-a มีขั้นตอนเพื่อเปรียบเทียบกับทฤษฎี
- - การเชื่อมโยงที่มีเนื้อหยาบการจำลองแบบต่อเนื่องและทฤษฎี

ความท้าทายแบบจำลองเหล่านี้สามารถสรุปได้เป็น 3 ภารกิจที่เกี่ยวข้องกับคีย์ ( ผม ) การจำลองขั้นตอนใหม่ที่ผ่านการพัฒนารูปแบบใหม่( 2 ) โปรแกรมการพัฒนาของการจำลองระบบใหม่ระบบผลึกเหลว ( 3 ) การปรับปรุงอย่างมากการเชื่อมโยงระหว่างทฤษฎีแบบจำลอง ( ดูด้านล่าง ) รึเปล่า


ทฤษฎีการพิจารณาดุลยภาพทฤษฎีของของเหลวแบบเป็นผู้ใหญ่พอสมควร หนึ่งสามารถใช้ virial ขยายทฤษฎีและวิธีสมการสมการครบถ้วนเพื่อให้ทำนายที่ดีของ โครงสร้าง และสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของระบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน ขณะที่การเข้ามาของทฤษฎีการทำงานความหนาแน่นที่ดี เช่น จัดโดยวัดทฤษฎีพื้นฐานที่ได้รับความเข้าใจที่ดีของสถานการณ์ inhomogeneous

ด้านหน้าที่ ,ทฤษฎี enskog ได้พิสูจน์แล้วว่าประสบความสำเร็จในการทำนายสมบัติของก๊าซขึ้นขนส่งความหนาแน่นปานกลาง และโหมดการเชื่อมต่อวิธีได้อนุญาตให้ศึกษาของเหลวหนาแน่นและทำให้การคาดการณ์ที่โดดเด่นเกี่ยวกับกระจกเปลี่ยน

ทฤษฎีของผลึกเหลวเป็นขั้นสูงมากน้อย ในวันที่มากที่สุดสมดุลทฤษฎีจะขึ้นอยู่กับการปรับสอง virial วิธีการซึ่งเป็นตรงไปตรงมามากเมื่อเทียบกับวิธีการที่ใช้กับระบบแบบ . ระบบน้อยมาก มีสิ่งอำนวยความสะดวกพื้นฐาน ( วัดทฤษฎีเพียบหนักบางแผ่นมีตัวอย่างที่หายาก ) ดังนั้นจึงเป็นที่รู้จักกันเพียงเล็กน้อยในระดับโมเลกุล เกี่ยวกับระบบ inhomogeneous . รึเปล่า

เป็นพลวัตทฤษฎี enskog ได้ถูกนำมาใช้เพื่อ nematics แต่เพื่อความรู้ของเรา ไม่มีเทคนิค ความหนาแน่นสูงเช่นทฤษฎีการเชื่อมต่อโหมดจะถูกนำมาใช้ สำหรับสั่งผลึกเหลว ( เช่น smectics หรือขั้นตอนมี มีจวนไม่มีโมเลกุลตามทฤษฎีบัญชี

เป็นไปได้ร่างชุดของปัญหาที่โดดเด่น :
- มันเป็นไปได้ที่จะใช้ของเหลวรัฐครบถ้วนสมการทฤษฎีและ / หรือสูงระดับการขยาย virial กับผลึกเหลวระยะ ?
- อะไรคือโอกาสของการขยายวิธีการ เช่น saft เพื่อให้ทำนายคุณภาพของพฤติกรรมที่แท้จริงของระบบผลึกเหลว ?
- อะไรคือโอกาสในการพัฒนาวัด พื้นฐานทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับผลึกเหลว inhomogeneous ?
- วิธีการหนึ่งที่สามารถใช้ enskog / โหมดการเชื่อมต่อทฤษฎีผลึกเหลวระยะ ?
- อาจจะใช้คอมพิวเตอร์จำลองที่ดีที่สุดเพื่อความก้าวหน้าด้านนี้ ?

สรุป ทฤษฎีความท้าทายสามารถสรุปได้เป็น 2 งานที่เกี่ยวข้องกับคีย์ ( ผม ) การพัฒนาในระดับที่สูงกว่าทฤษฎีระบบผลึกเหลว และ ( ii ) และการปรับปรุงครั้งใหญ่ที่เชื่อมโยงระหว่างทฤษฎีและการจำลอง .