Modulerende spiralformede nanostrukturer i flydende krystalfase ved molekylært design

Et team af forskere ledet af adjunkt Yuki Arakawa (Toyohashi University of Technology, Japan) har med succes udviklet svovlholdige flydende krystal (LC) dimermolekyler) med modsat rettede esterbindinger, som udviser en spiralformet flydende krystalfase, dvs. twist-bend nematic (N _T B) fase) over et bredt temperaturområde, inklusive stuetemperatur. Samarbejde med et team på Advanced Light Source-forskningsfaciliteten (Lawrence Berkeley National Laboratory, USA) afslørede, at esterbindingsretningen i de molekylære strukturer i høj grad påvirker pitchlængderne af spiralformede nanostrukturer i N _T B fase. Det forventes, at dette molekylære design kan bruges til at tune de resulterende fysiske egenskaber af LC-materialer, som ville bidrage til nye LC-teknologier, såsom LC laser, fotojustering, og displayteknologier.

Derefter _T B er en nyligt identificeret fluidisk LC-fase, som har en spiralformet nanostruktur med en tonehøjde, der spænder fra flere til titusinder af nanometer, bliver et varmt emne i LC-videnskabssamfundet. For nylig, forskellige tilgange blev undersøgt til at anvende N _T B-materialer til bølgelængdejusterbare LC-laser- og fotojusteringsteknologier. Med hensyn til praktisk, LC-materialer skal udtænkes ved at danne LC-faser over et bredt temperaturområde og ved stuetemperatur. Imidlertid, molekyler, der udviser N _T B-fase over et bredt temperaturområde, inklusive stuetemperatur, forbliver usædvanlig sjældne. Dette har hindret dybe vurderinger af forskellige egenskaber og udviklingen af ​​nye applikationer.

Adjunkt Yuki Arakawa og hans team i Toyohashi University of Technology har interesseret sig for at udvikle nye svovlholdige LC-materialer, især til høj-dobbeltbrydende materialer og twist-bend nematiske LC'er, baseret på thioether (R-S-R) bindinger, der indeholder svovl, som er en del af varme kilder og en af ​​de få overskudsressourcer i Japan. Svovl- eller thioetherbindinger har høj polariserbarhed og forventes at være nyttige funktionelle dele til at forbedre fysiske egenskaber, såsom brydningsindeks og dobbeltbrydning, sammenlignet med andre bindinger baseret på konventionelle atomer, såsom methylen (carbon) og ether (ilt).

Tidligere, Adjunkt Yuki Arakawa og hans team havde med succes udviklet thioether-baserede bøjede molekyler, der udviser N _T B fase. I dette studie, vi forsøgte at udtænke nye LC-dimerer ved at introducere modsat rettede esterbindinger (dvs. -C=OO- og -O=CO-) til de thioether-baserede bøjede dimere molekyler og belys esterbindingsretningens indflydelse på N. _T B fase adfærd. Holdet lykkedes med at udvikle nye molekyler, der udviser N _T B-faser over et bredt temperaturområde, inklusive stuetemperatur.

Desuden, holdet observerede et fænomen, hvori de spiralformede stigninger (6-9 nm) af molekylerne med O=CO-ester var omtrent det dobbelte (11-24 nm) af dem med C=OO-ester (figur 1). Dette skyldes, at C=OO-esterdimererne har flere bøjede molekylære geometrier end O=CO-esterdimererne, resulterer i øget molekylær præcession i den spiralformede struktur for førstnævnte end for sidstnævnte. Finjustering af det molekylære design (dvs. esterbindingsretningen) muliggør manipulation af spiralformede nanostrukturer, hvilket er særligt vigtigt for optiske applikationer.

Ifølge adjunkt Arakawa, "LC-molekyler, der udviser det spiralformede N _T B-fase over et bredt temperaturområde, inklusive stuetemperatur, forblive sjældne. Ingen undersøgelser har klart afsløret struktur-egenskabsforholdet mellem molekylært design og den resulterende spiralformede struktur, dvs. hvordan de spiralformede nanostrukturer kan styres af molekylært design. Vi tror på, at vores undersøgelser giver indsigt i det."