Quantenmechanische Berechnungen und Molekulardynamik-Simulation des Flüssigkristalls 4-(trans-4'-Pentyl-Cyclohexyl)-Benzonitril (5PCH)
Creators: name: Eikelschulte, Frank
Publisher: name: Universität Dortmund
Year: 2000
Subjects: subject: dynamics
subject: Dynamik
subject: electrostatic
subject: Elektrostatik
subject: Flüssigkristall
subject: force field
subject: force field development
subject: interaction
subject: Isotrop
subject: isotropic
subject: Kraftfeld
subject: Kraftfeldentwicklung
subject: liquid crystal
subject: local order
subject: Lokale Ordnung
subject: Molecular dynamics
subject: Molekulardynamik
subject: nematic
subject: Nematisch
subject: Phasenübergang
subject: phase transition
subject: rotational diffusion
subject: Rotationsdiffusion
subject: simulation
subject: structure
subject: Struktur
subject: translational diffusion
subject: Translationsdiffusion
subject: Wechselwirkung
subject: 540

description: In der vorliegenden Arbeit mit dem Titel "Quantenmechanische Berechnungen und Molekulardynamik Simulation des Flüssigkristalls 4-(trans-4'-Pentyl-Cyclohexyl)-Benzonitril (5PCH)" werden nematische und isotrope Phasen der flüssigkristallinen Substanz 4-(trans-4'-Pentyl-Cyclohexyl)-Benzonitril (5PCH) über einen weiten Temperaturbereich molekulardynamisch simuliert. Zu diesem Zweck werden temperaturabhängige Simulationsserien mit unterschiedlichen Simulationspaketen und Simulationsmethoden durchgeführt (MOSCITO und GROMOS). Ein methodischer Unterschied dieser beiden Serien liegt in der Behandlung der elektrostatischen Wechselwirkung. Während für die GROMOS-Simulationen ein Abschneideverfahren bezüglich der Schwerpunkte neutraler Ladungsgruppen angewendet wird, wird in den MOSCITO-Simulationen zur Behandlung dieser Wechselwirkungen die Ewald-Summationstechnik benutzt. Weiterhin liegen beiden Simulationsserien unterschiedliche Kraftfelder zugrunde. In den GROMOS-Simulationen werden lediglich die schweren Atome des 5PCH-Molekuels explizit als Wechselwirkungszentren berücksichtigt (UA-Modell). Die Ladungen werden durch Anpassungen an das quantenmechanisch mittels HF/6-31G* berechnete elektrostatische Potential in der Umgebung eines freien Moleküls gewonnen. Beiden Simulationsserien ist gemeinsam, dass die Phasenübergangstemperatur vom nematischen Flüssigkristall zur isotropen Flüssigkeit nicht bestimmt werden kann. Die simulierten nematischen Phasen liegen bei Temperaturen oberhalb der experimentellen Phasenübergangstemperatur in einem metastabilen Zustand vor, der auf der für Simulationen typischen Zeitskala von etwa einer ns kein Verschwinden des Ordnungsparameters erkennen läßt. Es zeigt sich, dass es sowohl in der nematischen als auch in der isotropen Phase zu einer bevorzugten Ausbildung antiparalleler Dimere kommt. Für die Bildung dieser Assoziate ist die elektrostatische Wechselwirkung von entscheidendem Einfluss. Hier lag auch der wesentliche strukturelle Unterschied der beiden Simulationsserien. In den GROMOS-Simulationen sind diese Dimere sehr viel ausgeprägter als in den MOSCITO-Simulationen, was auf die unzureichende Parametrisierung des Coulomb-Anteils der Wechselwirkungsfunktion zurückzuführen ist. Es kann gezeigt werden, dass die ausgebildeten Dimere und damit auch die elektrostatische Wechselwirkung essentiell für den Existenzbereich der Mesophase sind. Die Dynamik dieser beiden Systeme unterscheidet sich nicht wesentlich. Die translatorische Diffusion entspricht in beiden Modellen den Experimenten. Ein erstaunliches Phänomen zeigt sich beim Vergleich experimentell bestimmter Dipol-Dipol-Relaxationszeiten der C-H-Bindungen in der Alkyl-Kette mit den Ergebnissen der Simulation. Obwohl die Torsionspotentiale innerhalb der Pentyl-Kette in beiden Simulationen stark voneinander abweichen, erhält man in etwa die gleichen Umorientierungskorrelationszeiten. Diese liegen durchweg oberhalb der experimentellen Ergebnisse.