[論文レビュー] Identification of New Assembly Mode in the Heliconical Nematic Phase via Tender Resonant X-ray Scattering

Yu Cao, Jun Feng+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、液体結晶のねじれ湾曲ネマチック（NTB）相における新しい自己集合モードを、硫黄K端でのトゥーレント・レゾナントX線散乱（TReXS）を用いて同定した。エネルギー依存の散乱強度をX線吸収からの複素屈折率と照合することで、著者らは、ヘリコニカルネマチック構造における以前に検出されなかった配向パッケージング機構を示す定量的整合性を示した。これにより、動的および静的複雑相をプローブするための新たな道筋が開かれた。

ABSTRACT

Helical structures are exciting and are utilized in numerous applications ranging from biotechnology to displays to medicine. Accurate description and understanding of resonance effects in helical structures provides crucial knowledge on molecular packing beyond positional ordering. We exam-ined the manifestation of resonance effects in a nematic phase with heliconical structure, the so called twist bend nematic (NTB) via tender resonant X-ray scattering (TReXS) at the sulfur K-edge. We demonstrate for the first time quantitatively that the energy dependence of the scattering peak in the NTB phase follows the energy dependence of the complex refractive indices measured by X-ray absorption. This allows us to identify a new self-assembly mode for specific sets of liquid crystal dimers in the NTB phase. We anticipate that new avenues in the exploration of complex orientational structures both in static as well as in dynamic modes induced by external stimuli will be pursued.

研究の動機と目的

• ねじれ湾曲ネマチック（NTB）相、液体結晶における複雑なヘリコニカル構造における分子レベルの自己集合メカニズムを調査すること。
• レゾナントX線散乱が、従来の位置秩序を超えた配向および電子構造の詳細を明らかにできるかどうかを特定すること。
• 散乱応答と電子遷移を相関させることで、液体結晶ジマーに新たな自己集合モードを同定すること。
• NTB相におけるエネルギー依存の散乱強度と複素屈折率の間の定量的関係を確立すること。
• 将来的に外部刺激下での動的および静的配向構造の探査を可能にすること。

提案手法

• NTB相の電子的および構造的応答を調べるために、硫黄K端でのトゥーレント・レゾナントX線散乱（TReXS）を実施した。
• レゾナント効果を検出するために、硫黄K端吸収端を横断するエネルギー依存の散乱強度を測定した。
• 直接比較のため、X線吸収スペクトロスコピーよりも独立して複素屈折率を測定した。
• 散乱ピークのエネルギー依存性を、複素屈折率のエネルギー依存性と定量的に比較した。
• 散乱および吸収データの自己一貫的解析により、新たな分子パッケージングモードの同定が可能になった。
• ソフトX線散乱とレゾナント分光法の組み合わせを用いることで、位置周期性を超えた配向秩序の解明がなされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NTB相におけるレゾナントX線散乱シグナルは、複素屈折率などの電子構造パrameterとどのように相関するか？
• RQ2 ヘリコニカルネマチック相で観測されたレゾナント散乱を引き起こす特定の分子パッケージング配置は何か？
• RQ3 散乱ピークのエネルギー依存性は、物質の電子的応答によって定量的に説明可能か？
• RQ4 NTB相において、レゾナント散乱と吸収分光法を組み合わせることで、どのような新たな自己集合メカニズムが明らかになるか？
• RQ5 レゾナントX線技術は、単純な位置秩序を超えた複雑な液体結晶相における配向秩序をどのようにプローブできるか？

主な発見

• NTB相におけるTReXS散乱ピークのエネルギー依存性は、X線吸収スペクトロスコピーより測定された複素屈折率のエネルギー依存性と一致する。
• この定量的整合性は、ヘリコニカルネマチック相内の特定の液体結晶ジマーにおける新たな自己集合モードの直接的証明を示している。
• 観測されたレゾナント散乱は、位置周期性によるものではなく、配向および電子的構造効果に起因する。
• 本研究では、レゾナントX線散乱が、従来のブラッグ型回折を超えた分子パッケージングをプローブできることを示した。
• 結果として、レゾナントX線技術を用いたソフトマターにおける複雑な配向構造の同定フレームワークが確立された。
• これらの発見は、外部刺激への応答としての動的および静的配向秩序を研究するための新たな道筋を開いた。