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向列液晶是最简单的液晶态,可以进一步分单轴向列相(Nu)、手性向列相(N*)、扭转弯曲向列相(NTB)等。目前已有众多的向列相液晶分子具有低粘度、出色的相行为和较高的可靠性等特点,向列相的各向异性和对外电场的响应特性能够使其广泛应用于显示技术等领域。传统向列相的典型组成分子是极性的,但在宏观领域平均整体取向是非极性的,因此可以看作是头尾等价的。2017年,Richard J. Mandle等人和Hiroya Nishikawa等人先后分别发现了具有铁电特性的宏观极化取向的铁电向列相液晶,除了传统向列相的特征外,其在软物质材料中超高的介电常数、超强的非线性光响应信号、对电场的高响应灵敏度和较好的流动性,为研究工作者们打开了研究极化拓扑和铁电液晶光电特性的新大门。铁电向列相研究目前仅限于以 RM734 和 DIO 系列为代表,大多数铁电相列型液晶分子都是基于芳香族酯键,需要开发新结构来丰富铁电相列相液晶分子的化学结构设计。华南理工大学黄明俊和Satoshi Aya(谢晓晨)课题组合作,研究了著名铁电向列相分子DIO的构象对铁电相相行为及温度稳定性的影响,此外还设计并合成了一种高度氟化并含有刚性介晶的新型铁电相列相液晶分子。相关工作分别发表在《Journal of Materials of Chemistry C》和《Physical Chemistry Chemical Physics》中。

J. Mater. Chem. C:铁电向列相的立体异构体效应:稳定性和相行为多样化

该工作通过合成两种稳定的构象异构体:直线构象和弯曲构象异构体,通过不同比例的共混发现,DIO铁电向列相的相态、相稳定性和电光特性敏感地取决于构象异构体在体中的含量,该结果提供了低温稳定铁电向列相材料的可行性,并丰富了对中间相结构-性能关系的理解。

图1. 不同比例下弯曲构象DIO分子共混相图

铁电向列相(NF)的出现受到分子极化强度μ和分子几何形状的控制,之前有研究表明如果棒状分子的极化强度μ值超过9德拜,则倾向于形成NF相。DIO是最早被发现的铁电向列相分子之一,且该分子具有立体异构体效应,直构象异构体具有丰富的液晶相行为,弯曲构象异构体则不具有液晶相。为了研究分子形状对铁电相的影响,我们选择了一系列比例共混的混合物进行研究,如图2所示,在偏光显微镜下,纯直线构象异构体在反平行摩擦的cell中表现出向列相(N)、近晶相(X)和铁电相 (NF) (图 2a-d)。当弯曲构象比例 c 为 30 wt% 时,从N 相过渡到 X 相,具有更宽的条纹周期性(图 2e-g)。当c进一步增加到40 wt% ,则导致从 Iso 到 NF 相的直接相变。NF 以球状液滴从 Iso 中涌现(图 2i-k)。该工作通过简单的不同构象单体液晶共混,得到了具有室温稳定的铁电液晶,为研究极化拓扑结构和理解铁电液晶的构效关系提供了新的可能。

图2. 不同比例下DIO共混液晶相结构演化的偏光显微织构图片

文章链接:

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/TC/D2TC00862A

Phys. Chem. Chem. Phys.:具有高度氟化和刚性介晶的新兴铁电向列相液晶的开发

该工作设计并合成了一种新型铁电向列相液晶分子(LC1)(图3),分子结构高度氟化起着决定性作用,不仅因为它增加了分子偶极矩 (μ) 值,而且还因为它的低极化率和弱离子溶剂化倾向。此外,不含芳香族酯键的高刚性液晶介晶会影响液晶材料特性,提高了分子流动性并允许在更宽的温度范围内调整向列相,而且获得了均匀且大面积的铁电畴。通过调整分子结构中碳链长度,并进行二元共混,能够在保留相同相结构出现的前提下实现降低相变温度的作用,更有利于光学电学表征实验的开展。

图3. 铁电向列相液晶分子LC1的化学结构和其铁电向列相的偏光显微镜照片

为了证实LC1能够形成铁电向列相,本工作在不同的表面锚定作用下,对液晶分子施加平面内电场。如图4 c和d所示的同向平行表面锚定作用下织构颜色变化符合铁电相列型液晶的一般规律,实验现象与对应的模拟指向矢分布符合较好;如图4 f所示,在反向平行表面锚定作用下,随电场大小和方向变化,铁电向列相液晶分子畴区显示出典型成核生长及扩展的行为,畴区交替覆盖更替存在的阈值电场符合铁电材料的一般特性。该液晶分子展现出巨大的介电各向异性,体极化指向矢完全沿着分子长轴方向。该液晶分子较高的SHG非线性光学响应以及典型的平行四边形P-E电滞回线均揭露该分子能够形成稳定的铁电向列相。这项工作展示了扩大铁电向列材料多样性的巨大潜力,并将加速相应的应用研究和技术创新。

图4. 偏光显微镜观察铁电向列相施加平面内电场在(a-d)同向平行表面锚定液晶盒和(e-f)反向平行表面锚定液晶盒的电-光响应变换

来源:华南理工大学

文章链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CP/D2CP01110G

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