虚拟实验平台建设与数值模拟方法在液晶综合实验中的应用及实践研究

王世燕，袁顺东，张亚萍，阮可欣

(中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580 )

随着信息技术发展，作为传统实验教学的一种有效补充，虚拟仿真实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段[1-3]。虚拟仿真实验内容建设可包含两个方面：一是操作模拟，即以实体实验为依托，通过构建虚拟的实验仪器、实验操作环境等完成实验内容的远程操作；二是数值模拟，即以实体实验数据为依托，通过建立数学模型进行数值模拟计算，从微观层面解释实验原理。其中，以虚拟操作为主体的仿真实验可以实现实体实验不具备或难以完成的教学功能，有效避免因各种外在因素而缺失的实验内容，如涉及放射源[4]、管道爆破[5]等。而当实验内容涉及分子构象变化[6]、分子表面吸附[7,8]等过程时，数值模拟方法则能在微观层面提供实验中难以观察和检测到的动力学信息，强化学生的知识构建和学习效率。因此，仿真实验内容的建设具有深远的现实意义和推广应用价值[9]。

液晶显示是目前平板显示的一种主流技术，液晶显示器件结构及其制备工艺是决定液晶显示质量的关键因素。“液晶器件制备及电光效应测试综合实验”(以下简称“液晶综合实验”)是一门将理论与工程训练相结合的实验项目，对于提升学生动手实践能力、培养综合素质人才具有重要意义。在实际开课过程中由于实验器材维护费用高、实验流程繁琐、操作时间过长等因素不易开展大面积教学。基于上述现实问题，中国石油大学(华东)物理实验中心(以下简称“中心”)将虚拟仿真技术引入实验教学中，构建了“液晶器件制备及电光效应测量虚拟仿真综合实验”操作平台，同时将分子模拟方法引入液晶特性原理的研究中，从微观层面解释液晶电光特性原理，强化学生的知识构建，提升学生的创新思维，以期实现实验教学与实践育人的有机结合。

1 液晶综合实验虚拟仿真教学设计

以中心目前开设的工科大学物理实体实验“液晶器件制备综合实验”和“液晶电光效应实验”为依托，分别从实验过程的虚拟仿真操作及实验原理的数值模拟两个方面进行教学内容建设，如图1所示。

图1 液晶器件制备及电光效应测试虚拟仿真实验教学设计

2 液晶器件制备虚拟仿真操作平台建设

2.1 虚拟实验平台构建及运行方式

借助现代虚拟现实技术构建虚拟实验系统，包括实验环境、实验仪器设备及实验信息资源等。采用VR沉浸式、PC单机版、网络版三种模式实现虚拟操作。其中，VR沉浸式适合常规化教学模式，可针对实验基础较弱的学生开展教学，教师在课堂上进行引导性讲解，并进行部分示范性操作，随堂指导学生进行操作学习，如图2所示。

图2 VR沉浸式虚拟仿真课堂演示

PC单机版适合为实验能力较强的学生实施教学，主要采用“雨课堂”翻转式课堂教学模式，以部分实验能力较强学生为操作主体，带动其他学生完成自主学习；网络版可实现远程开放，学生通过远程网络访问登陆进行仿真实验自主学习，完成实验报告并自主提交。虚拟实验可以进行多次实验操作，通过反复训练达到熟练掌握液晶器件制备流程的目的。

2.2 虚拟实验平台内容建设

该实验操作分学习模式和考核模式，在学习模式中，根据液晶器件实际制备流程，虚拟仿真操作分为10个模块，各模块既紧密联系又互相独立，直观形象、操作灵活。其中，1-6模块为设备认知及液晶器件制备操作，7-10模块为液晶器件性能测试研究，在该模式下，实验的每步操作都会有相应的提示，包括参数设置、仪器选择等。考核模式增加了在线考核模块，要求学生根据之前的学习自主完成实验。图3为虚拟仿真平台上的液晶盒制备操作过程。具体内容如下：

(1)实验仪器设备认知模块

通过鼠标移动直观认知所用各个实验仪器设备，了解不同仪器设备的应用功能。

(2)实验准备模块

熟悉液晶器件制备前的准备工作，了解液晶材料的储存，ITO玻璃清洗及导电面确定等。

(3)镀PI取向膜模块

将涂有取向剂的ITO玻璃基片放置到旋涂机中，设定转速2 500 r/min左右，并设定旋涂时间约60 s，见图3(a)。将旋涂好的ITO玻璃放置到恒温箱中进行固化，固化温度分别设为80 ℃和200 ℃，恒温时间分别为30 min和120 min，结束后将恒温箱门打开，使基片恢复到室温。

(4)摩擦取向模块

将固化好PI取向膜的液晶基片放置到滑台机上，打开空气压缩机，设置摩擦深度(0.1 mm.2mm.3 mm)、摩擦筒压力为5 kPa，转速设置为2 500 r/min，见图3(b)-(d)，完成摩擦取向步骤并对膜面做好标记。

(5)空盒制作模块

在摩擦完成的玻璃基片上滴加间隔子并用滴管吹均匀，将两玻璃基片按摩擦取向方向垂直叠放，设定点胶机泵压和光固机曝光时间，对液晶空盒进行封胶和固化见图3(e)。

(6)灌晶和封口模块

对液晶空盒进行液晶灌装和最终封口，见图3(f)。

(a)

(7)液晶结构观察模块

通过偏光显微镜观察液晶盒内部的组织结构形貌，对液晶盒施加电压后观察液晶盒的光通断变化现象。

(8)电光特性研究模块

对制备液晶盒施加电场，观察并记录不同外加电压条件下液晶盒的光透过率大小，测量该液晶盒的阈值电压和关断电压，研究液晶盒电光特性。

(9)视角特性测试模块

分别在液晶盒光开关通断电压下，旋转液晶盒入光角度，测量计算透过率对比度，绘制角度-对比度关系曲线，研究该液晶盒的视角特性。

(10)时间响应研究模块

利用示波器观察并测量液晶响应上升时间和下降时间，研究其时间响应特性，见图4。

(11)实验考核模块

基于实验预习和仿真实验操作，完成实验考核部分。进行数据对比分析，探究实验机理，完成实验报告在线提交。

与实体实验相比，液晶综合实验虚拟操作平台具有以下优势：

(1)支持重复性实验操作，强化实验难点的掌握。

对于实体实验中不可逆的操作部分，比如摩擦取向部分，一旦操作失误就会使得前期2个多小时固化的样品报废，而在虚拟实验操作中学生可以反复练习直至熟练掌握。

(2)降低实验成本，节省实验时间。

实体实验操作全程需要3.5～4个小时，所需课时相对较长，实验中所用的取向剂、液晶分子、间隔子等皆为损耗原料，且液晶分子具有轻微毒性。而虚拟实验操作不受时间限制，学生可以随时随地进行实验学习，同时能避免因实验失败所造成的材料浪费。

(3)学习模式新颖，激发学生学习兴趣。

虚拟操作平台构建与实境实验高度相仿，直观性强，能够提高学生对实验器材和操作流程的感性认识，从而提升学生实验兴趣，增强自主学习能力。

图4 液晶器件时间响应测试

3 液晶电光特性数值模拟设计

3.1 实验内容设计依据及设计方案

液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，由于液晶分子排列并不像晶体分子排列那样牢固，因此很容易受到电场、磁场、温度、应力以及吸附杂质等外部刺激的影响，从而使其光学性质发生变化[10,11]。微观来看，液晶分子通过自组装实现了有序排列，而分子结构的细微差别往往带来宏观相态的巨大差异[12]。探究这种微观结构影响宏观状态的过程有助于更好地理解液晶的相关性能，而分子动力学模拟方法就是一种有效的研究方法，因此我们设计了液晶特性模拟的系列研究课题。

实验设计方案包括实验目的、实验原理、实验内容及结果分析等，其中实验内容及结果分析包括“模型构建→计算模拟→数据处理→分析总结”等。模型构建是计算模拟过程的基础，模型设计以液晶器件的实际结构为依据(如图5(a)所示)，构造具有代表性的液晶盒模拟结构模型(如图5(b)所示，液晶分子5CB结构中灰色为碳原子，白色为氢原子，蓝色为氮原子)，利用Materials Studio软件研究电场对液晶分子的影响。

图5 液晶盒基本结构(a)及模拟模型结构(b)

3.2 结果与分析

(1)电场对液晶分子排列的影响分析

在实体实验操作中，当给液晶板两端施加足够电压时，在静电场的吸引下除基片附近的液晶分子被“锚定”外，其他液晶分子均趋向平行于电场方向排列，如图6所示。

图6 液晶光开关工作原理

但这一过程无法直观观察，而利用分子动力学模拟方法可以清楚地观察整个过程。以平行排列的液晶盒为例，当施加4 V电压时液晶分子的排列变化如图7所示。

图7 液晶分子在电场作用下的排列变化

从图7可以看出，当给液晶盒施加一定电压时，液晶分子长轴趋向平行于电场的方向排列，这一微观分子动力学模拟结果与宏观实验操作相一致。通过这一实时的动态变化，学生可以更直观地了解驱动电压对液晶分子指向的影响，而液晶分子指向的变化从根本上决定了液晶透光率的变化，从而强化学生对液晶电光特性原理的理解和掌握。

(2)电场对液晶分子指向矢的影响分析

液晶指向是液晶分子非常重要的性质。当液晶分子的指向发生偏移时其对外所表现出来的电学性质、光学性质等就会发生显著改变[13]。因此，对液晶分子指向进行分析有助于进一步考察外加电场对液晶分子排列的影响。如图8(a)所示，把OA方向作为某个5CB分子的指向，其与xOy平面的夹角作为该5CB分子的倾角，如图8(b)所示。以平行排列液晶盒模拟体系中间层液晶分子为例，液晶分子倾角随所加电压的变化如图9所示。

(a)

图9 不同电压下中间层液晶分子倾角与外加电压的关系

由图9可以看出，当液晶盒两端施加电压小于1 V时液晶分子倾角变化不大，当驱动电压为1～4 V时，液晶分子的倾角一直处于增大趋势，当电压达到4 V时，液晶分子的倾角达到最大值，此后液晶分子指向矢趋于稳定。这与宏观实验中当液晶盒两端的驱动电压大于饱和电压时，液晶的透过率基本不变相一致，说明微观层面液晶盒的分子动力学模拟具有一定的实际意义。

3.3 实验内容拓展

本实验在完成工科实验内容的同时，可开展创新性实验研究，将实验内容进行拓展研究，如图10所示：(1)结合液晶的形成特点，改变模拟条件，考察不同温度、不同外加电场对液晶盒特性的影响，以液晶分子5CB为例，理论研究其清亮点在35 ℃左右，可以引导学生进行不同温度环境的模拟，尝试分析并总结其特性；(2)针对液晶材料的多样性，研究电场对不同液晶材料的影响，发现并总结更多液晶材料的电光特性；(3)结合液晶盒的构造特点，考察不同基片结构下的液晶盒特性，如以Si为基片、以C板为基片等，尝试构建不同的液晶盒模拟体系并进行相关性能研究。

图10 液晶分子特性模拟实验内容拓展

对于拓展性实验内容，可以课堂实验为基点，引导学生进行课外拓展，也可作为大学生创新训练项目进行自主创新训练，培养学生的创新能力及科研素养。目前该实验设计已在校级大学生创新训练项目及理科班创新训练课题中开展，实践表明对学生知识强化及创新思维有一定的提升作用。

4 结 语

“液晶综合实验”虚拟仿真实验教学平台的建设突破了实体实验设备不足、操作繁琐、教学课时长等局限，将开放式、探究式的教学方式应用于大学物理实验教学，使学生能在虚拟环境中模拟真实的实验过程，达到了教学大纲所要求的教学效果。目前该实验的网络版浏览量已达6万多人次，已有7 000多人通过虚拟仿真平台完成实验操作学习。分子层次的模拟拓展不仅强化了学生的知识构建，也激发了学生的学习兴趣。目前依托液晶相关教学实验项目，教学团队指导大学生创新训练计划项目2项(其中国家级项目1项)、校级自主创新科研计划本科生项目1项；指导本科生发表相关研究论文3篇；指导本科生作品获得山东省物理科技创新大赛一等奖2项、二等奖1项，山东省大学生光电及科技创新大赛二等奖1项；指导本科生发表论文荣获第九届全国高等学校物理实验教学会议教学论文评比二等奖1项。