Luận án Tiến sĩ Vật lý: Chuyển pha smectic-isotropic, tương tác vi mô tinh thể lỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THÚY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CHUYỂN PHA SMECTIC - ISOTROPIC SỬ DỤNG TƯƠNG TÁC VI MÔ TRONG CẤU TRÚC TINH THỂ LỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN Hà Nội – 2024 iv Mục lục Lời cam oan i Lời cảm ơn iii Danh mục các từ viết tắt vi Danh sách hình vẽ vii Mở ầu 1 1 Tổng quan về tinh thể lỏng 8 1.1 Giới thiệu về tinh thể lỏng .2 Phân loại tinh thể lỏng .3 Ứng dụng của tinh thể lỏng .4 Tình hình nghiên cứu chuyển pha tinh thể lỏng .5 Kết luận chương 1. 22 2 Mô hình và phương pháp mô phỏng 23 2.1 Các mô hình spin .2 Mô hình Potts linh ộng .3 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo .2 Thuật toán Metropolis .3 Kỹ thuật biểu ồ .4 Kỹ thuật Wang-Landau .4 Kết luận chương 2. 40 3 Nghiên cứu chuyển pha smectic - isotropic sử dụng mô hình Potts 42 v 3.1 Giới thiệu chung .2 Mô hình nghiên cứu .3 Các ại lượng vật lý .4 Khảo sát hiệu ứng kích thước .5 Khảo sát chuyển pha theo nồng ộ .6 Sự ảnh hưởng của loại tương tác giữa các lớp .7 Kết luận chương 3. 78 4 Nghiên cứu chuyển pha smectic - isotropic sử dụng mô hình Potts mở rộng 79 4.1 Mô hình Potts mở rộng .2 Khảo sát trường hợp V0 = 1.3 Khảo sát trường hợp V0 = 0.4 Khảo sát trường hợp V0 = 0.5 Kết luận chương 4.

104 Kết luận 106 Những óng góp mới của luận án 108 Danh mục các công trình ã công bố 109 Tài liệu tham khảo 110 vi Danh mục các từ viết tắt Từ viết tắt Từ tiếng Anh Diễn giải LC Liquid Crystals Tinh thể lỏng LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng LJ Lennard-Jones Lennard-Jones Lyotropic LCs Lyotropic Liquid crystals Tinh thể lỏng Lyotropic DOS Density of state Hàm mật ộ trạng thái MC Monte Carlo Monte Carlo MCS Monte Carlo Step Số bước Monte Carlo NN Nearest Neighbours Lân cận gần nhất Thermotropic LCs Thermotropic liquid crystals Tinh thể lỏng Thermotropic WL Wang-Landau Wang-Landau vii Danh sách hình vẽ 1 Các pha trạng thái của tinh thể lỏng thermotropic: (a) Pha nematic, (b) Pha smectic, (c) Pha cholesteric.1 Minh họa cấu tạo hóa học phân tử tinh thể lỏng hình khuẩn que [34].2 Minh họa cấu tạo hóa học phân tử tinh thể lỏng hình ĩa dẹt [35].3 Minh họa pha nematic bao gồm các phân tử có chung ịnh hướng.4 Pha smectic bao gồm các phân tử hình khuẩn que sắp xếp theo từng lớp phân tử.5 Các cấu trúc pha smectic.6 Mô phỏng cấu trúc pha chiral nematic (bên trái) và pha chiral smectic (bên phải).7 Hai loại phân tử của Lyotropic LCs: phân tử soap (bên trái), phân tử phospholipid (bên phải) [34].8 Các pha của Lyotropic LCs .9 Nguyên lý hoạt ộng của màn hình tinh thể lỏng. Hiển thị iểm ảnh (bên trái) và Không hiển thị iểm ảnh (bên phải). Ánh sáng không phân cực. Kính phân cực.

iện cực trong suốt. Tinh thể lỏng. Ánh sáng phân cực [40].10 Cấu tạo của nhiệt kế tinh thể lỏng .11 Quá trình chuyển pha của Thermotropic LCs [41].12 ồ thị hệ số phản xạ (Reflectivity) theo nhiệt ộ (Temperature) [16].13 Minh họa ảnh chụp các phân tử trong quá trình mô phỏng (Các trạng thái của phân tử ược biểu diễn bằng các màu khác nhau). Tại nhiệt ộ cao, hệ ở pha isotropic (bên trái).

Hệ ở pha smectic với các phân tử ược sắp xếp theo lớp (bên phải).1 Chuyển pha Kosterlitz-Thouless của mô hình XY hai chiều. Tại nhiệt ộ thấp, hệ tồn tại những cấu hình spin có các cặp xoáy - phản xoáy. Tại nhiệt ộ cao, hệ chỉ còn các cặp xoáy ơn.2 Minh họa mô hình Potts linh ộng với các phần tử có thể di chuyển sang vị trí trống lân cận.3 Kết quả mô phỏng của tham số trật tự của mô hình Potts linh ộng [89].4 Minh họa quá trình chuyển pha của mô hình Potts linh ộng [89]. Hệ tại nhiệt ộ thấp (bên trái) và hệ tại nhiệt ộ cao (bên phải).5 Sơ ồ khối của kỹ thuật Wang-Landau.6 Hàm phân bố năng lượng PL (E) theo một số kích thước hệ tại các nhiệt ộ khác nhau.1 Sơ ồ của thuật toán Metropolis cho mô hình Potts linh ộng.2 Tham số trật tự (bên trái) và thăng giáng của tham số trật tự (bên phải) trong kết quả mô phỏng của nhóm nghiên cứu GS.

Nồng ộ phân tử c = 30% với NL = 15 × 15 × 30, tương tác trao ổi Jk = 3.3 (a) Tham số trật tự và (b) thăng giáng của tham số trật tự khi chúng tôi cải tiến thuật toán Metropolis. Nồng ộ phân tử c = 30% với NL = 15 × 15 × 30, tương tác trao ổi Jk = 3.4 Biểu diễn hằng số tương tác giữa các phân tử trong pha smectic. Xét theo trục z, hằng số Jk biểu diễn cho tương tác giữa hai phân tử cùng mặt phẳng. Hằng số J⊥ biểu diễn cho tương tác giữa hai phân tử khác mặt phẳng.5 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: ồ thị biểu diễn năng lượng U theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 50% các hằng số tương tác Jk = 1.5, với kích thước hệ thay ổi N = 12, 18, 24 tương ứng Ns = 123 , Ns = 183 và Ns = 243 .6 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: ồ thị biểu diễn nhiệt dung riêng Cv theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 50% các hằng số tương tác Jk = 1.5, với kích thước hệ thay ổi N = 12, 18, 24 tương ứng Ns = 123 , Ns = 183 và Ns = 243 .7 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: ồ thị biểu diễn tham số trật tự M theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 50% các hằng số tương tác Jk = 1.5, với kích thước hệ thay ổi N = 12, 18, 24 tương ứng Ns = 123 , Ns = 183 và Ns = 243 .8 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: ồ thị biểu diễn thăng giáng của tham số trật tự χ theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 50% các hằng số tương tác Jk = 1.5, với kích thước hệ thay ổi N = 12, 18, 24 tương ứng Ns = 123 , Ns = 183 và Ns = 243 .9 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: (a) ồ thị biểu diễn năng lượng U theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn nhiệt dung Cv theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 100% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.10 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: (a) ồ thị biểu diễn tham số trật tự M theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn thăng giáng của tham số trật tự χ theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 100% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.11 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: (a) ồ thị biểu diễn năng lượng U theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn nhiệt dung Cv theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 100% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.12 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: (a) ồ thị biểu diễn tham số trật tự M theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn thăng giáng của tham số trật tự χ theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 100% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.13 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: ồ thị hàm phân bố theo năng lượng U tại nhiệt ộ T = 0.8790 cho trường hợp nồng ộ c = 100% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.14 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: (a) ồ thị biểu diễn năng lượng U theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn nhiệt dung Cv theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 80% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.15 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: (a) ồ thị biểu diễn năng lượng U theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn nhiệt dung Cv theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 80% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.16 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: (a) ồ thị biểu diễn tham số trật tự M theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn thăng giáng của tham số trật tự χ theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 80% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.17 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: ồ thị hàm phân bố theo năng lượng U tại nhiệt ộ T1 = 0.8320 cho trường hợp nồng ộ c = 80% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.18 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: (a) ồ thị biểu diễn năng lượng U theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn nhiệt dung Cv theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 60% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.19 Kết quả mô phỏng MC sử dụng thuật toán Metropolis: (a) ồ thị biểu diễn tham số trật tự M theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn thăng giáng của tham số trật tự χ theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 60% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.20 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: (a) ồ thị biểu diễn năng lượng U theo nhiệt ộ T , (b) ồ thị biểu diễn nhiệt dung Cv theo nhiệt ộ T cho trường hợp nồng ộ c = 60% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.21 Kết quả mô phỏng MC sử dụng kỹ thuật WL: ồ thị hàm phân bố theo năng lượng U tại các nhiệt ộ (a) T1 = 0.6010 cho trường hợp nồng ộ c = 60% với kích thước hệ Ns = 123 , các hằng số tương tác Jk = 1.