電気光学反応に対する分子構造のメソゲニックユニットの影響を伴う選択されたエポキシのDFT研究

分子構造と電荷分布の理論的研究は、異なるメソジェニックコアを持つ3つのエポキシ化合物に対して実施されました。化合物は、さまざまな複合材料の潜在的な塩基であるネマチック相を示し、ポリマーネットワークを形成します。結果は、非極性鎖の類似材料と比較されました。一連のコンフォメーションのジオメトリ最適化を含むカスタマイズされたプロセスが採用され、各分子のグローバルエネルギー最小に達する可能性が大幅に増加しました。すべての計算は、密度官能理論（DFT）電子相関モデルをB3LYPハイブリッド官能モデルと使用しました。分子構造の計算により、双極子モーメントの大きさと方向、偏光（α）、最初の過分極率（β）、および最も高い/占められている分子軌道（ホモルモ）エネルギーなど、いくつかのパラメーターが得られました。これらのパラメーターは、ネマティックフェーズとポリマーネットワークの電子特性を予測し、電気最適デバイスでの適用の素因を評価するのに役立ちます。特に、双極子モーメントの大きさと方向は、電界の液晶相の分子整列を決定します。これにより、硬化ネットワークでも分子順序を制御できます。理論的な結果は、線虫の観察と電界でのその挙動で補足されました。研究された化合物のために、脂肪族鎖の極性の変化は、電界によって誘導される分子の垂直整列を維持および強化するのに役立つことが実証されました。

Theoretical studies of molecular structure and electric charge distribution were carried out for three epoxy compounds with different mesogenic cores. The compounds exhibit a nematic phase and form polymer networks that are potential bases for various composites. Results were compared to analogous materials with non-polar chains. A customized process involving geometry optimization of a series of conformations was employed to greatly increase likelihood of reaching global energy minimum for each molecule. All computations used Density Functional Theory (DFT) electron correlation model with the B3LYP hybrid functional. Molecular structure calculations yielded several parameters, including the magnitude and direction of the dipole moment, polarizability (α), first hyperpolarizability (β), and highest-occupied/lowest-unoccupied molecular orbital (HOMO-LUMO) energies. These parameters can help predict electronic properties of the nematic phase and the polymer network and assess their predisposition for application in electrooptical devices. In particular, the magnitude and direction of the dipole moment determine molecular alignment of liquid crystal phases in electric field, which enables controlling molecular order also in cured networks. Theoretical results were supplemented with observations of the nematics and their behavior in electric field. It was demonstrated for the studied compounds that a change in aliphatic chain polarity helps preserve and reinforce perpendicular alignment of molecules induced by electric field.