新型超快响应液晶材料关键参数的计算、设计及其制备研究

It is necessary to equip the adaptive optical system in the large-aperture ground-based telescopes in order to achieve a real-time correction and get an optical imaging with a resolution near the diffraction limit. Wavefront corrector is a critical component of the adaptive optical system, which response time must be less than 0.5 milliseconds. However liquid crystal with some traditional structures (e.g., benzene and diphenylacetylene) cannot meet the requirement. This research aims to design and prepare the ultra-fast response liquid crystal materials with a response time less than 0.5ms using the polycyclic aromatic hydrocarbon and traditional structures. We will focus on solving the key scientific issue on the theoretical calculation of birefringence, phase and rotational viscosity. The effect and mechanism of each part in the birefringence, phase and rotational viscosity will be clarified. The structures of polycyclic aromatic hydrocarbon liquid crystal will be designed rationally. What’s more, we will explore and master some methods of synthesis and hybrid of the polycyclic aromatic hydrocarbon liquid crystal. Not only can this research avoid the blindness and uncertainty of liquid crystal molecular design and shorten development cycles of liquid crystal materials, but also it could break through the limitations of traditional liquid crystal materials and improve the response speed of liquid crystal wavefront corrector, which can make iquid crystal be really applied in the large-aperture ground-based telescopes and greatly improve the correction quality of liquid crystal adaptive optical system.

为了实现对光波前畸变的实时校正、获得接近衍射极限分辨率的观测成像，大口径地基望远镜都必须配备自适应光学系统，该系统要求其核心器件——波前校正器的响应时间小于0.5ms，但目前以苯、二苯乙炔等结构为基础的液晶材料还不能满足该响应速度的要求。本项目拟利用稠环芳烃基团、同时结合苯、二苯乙炔等传统结构设计并制备响应时间小于0.5ms的超快响应液晶材料，重点解决液晶双折射率、相态及旋转粘度的理论计算这一关键科学问题，揭示液晶分子各个片段影响液晶双折射率、相态及旋转粘度等的机理，理性设计稠环芳烃类液晶分子结构，探索并掌握稠环芳烃类液晶分子的合成及混合方法。该项研究工作不仅可以解决目前液晶分子设计的盲目性和不确定性，缩短液晶材料的研制周期，而且也有望突破传统液晶材料的局限性，进一步提高液晶波前校正器的响应速度，使液晶可以真正应用在大口径地基望远镜上，极大地改善现有液晶自适应光学系统的校正效果。

为了获得接近衍射极限分辨率的观测成像，大口径地基望远镜都必须配备自适应光学系统，以实现对光波前畸变的实时校正。波前校正器是自适应光学系统的核心元件之一，而以液晶为工作介质的液晶波前校正器一直面临着响应速度慢的问题。在此背景下，本项目拟利用稠环芳烃基团、同时结合苯、二苯乙炔等传统结构设计并尝试制备超快响应的液晶材料，重点解决液晶双折射率、相态及旋转粘度的理论计算这一关键科学问题，揭示液晶分子各个片段影响液晶双折射率、相态及旋转粘度等的机理，理性设计稠环芳烃类液晶分子结构，探索并掌握稠环芳烃类液晶分子的合成及混合方法。经过近几年研究，本项目已经能够利用量子化学理论并结合Vulks方程计算包括液晶在内的各向异性介质的折射率，能够利用液晶分子动力学计算液晶分子的相态和旋转粘度。借助于上述方法，能够较为定量地分析液晶分子中心基团、极性基团、侧链以及尾链等结构对液晶分子折射率、相态以及粘度等的影响，为液晶分子结构的设计提供最直接的参考。在以上工作基础上，项目设计了几种高性能液晶分子结构，对它们的响应性能进行了预测，最终采用偶联、侧链加成等方法对这几种液晶分子进行了实际合成。项目最终将这几种液晶分子掺入母体液晶中，实际测试表明其在可见光波段的响应速度明显低于0.5ms，达到了预期目标。该项目研究成果已经实际应用于大口径地基望远镜自适应光学系统中，大幅提高了系统波前校正的响应速度，使波前校正器的性能得以充分发挥。更为重要的是，通过本项目的实施申请人已经建立起了一套液晶分子设计的理论方法和体系，能够理性指导液晶分子的结构设计，这将为后续液晶高低温特性、抗损伤特性等研究提供系列理论支持，提高该领域内液晶特性研究的效率和水平。