[論文レビュー] Intrinsically chiral ferronematic liquid crystals

Damian Pociecha, R. Walker+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2021

Liquid Crystal Research Advancements被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、側鎖にキラル中心を有する強力な双極子モーメントを示すメソジェニック化合物の合成を報告しており、それらは内在的キラリティを示す反強誘電性ネマチック相を形成する。キラル分子はN相およびNF相において相反するヘリシティを有するヘリカル構造を誘導し、キラルなNF相は相同の側鎖長を有するアキラルアナログと比較して、極性フラクチュエーションの緩和周波数が低減している。これは分子キラリティに起因する強化された集団的動態を示している。

ABSTRACT

Strongly dipolar mesogenic compounds with a chiral center located in a lateral alkyl chain were synthesized, and shown to form the ferroelectric nematic phase. The presence of molecular chirality induced a helical structure in both the N and NF phases, but with opposite helix sense in the two phases. The relaxation frequency of the polar fluctuations was found to be lower for the chiral NF phase than for its achiral, non-branched counterpart with the same lateral chain length.

研究の動機と目的

• 側鎖にキラル中心を有するメソジェニック化合物を設計・合成し、内在的分子キラリティを実現すること。
• これらのキラル系において反強誘電性ネマチック（N）相およびネマチックフェリマグネティック（NF）相の形成および性質を調査すること。
• 内在的分子キラリティがネマチック相におけるヘリカル構造および集団的動態に与える影響を特定すること。
• 同一の側鎖長を有するキラルおよびアキラルアナログの極性フラクチュエーションの緩和周波数を比較すること。

提案手法

• 側鎖にキラル中心を有する強力な双極子モーメントを示すメソジェニック化合物の合成。
• 偏光顕微鏡および差示走査カルリメトリーを用いた相挙動の特徴付け。
• 誘電率緩和スペクトルの測定により、N相およびNF相における極性フラクチュエーションの緩和周波数を決定。
• 同一の側鎖長を有するキラルおよびアキラルアナログ間の緩和ダイナミクスを比較。
• 構造的および誘電的データを用いて、N相およびNF相におけるヘリックスの旋回方向を分析。
• X線回折および誘電異方性を用いて、ヘリカル構造および反強誘電性の存在を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 側鎖にキラル中心が存在する場合、反強誘電性ネマチック相の形成にどのような影響を及えるか。
• RQ2 N相およびNF相におけるヘリックスの旋回方向は何か、またそれらはどのように異なるか。
• RQ3 分子キラリティは、キラルなNF相における極性フラクチュエーションの緩和周波数を、アキラルな同等物と比較してどのように変化させるか。
• RQ4 どのような構造的および動的特徴がフェロネマチック系の内在的キラリティを確認するか。
• RQ5 分子キラリティはネマチック液晶における集団的動態をどの程度変化させるか。

主な発見

• キラルなメソジェニック化合物は、ヘリカル構造を示す反強誘電性ネマチック（N）相およびネマチックフェリマグネティック（NF）相を形成する。
• N相およびNF相におけるヘリックスの旋回方向は逆であり、相転移に伴いキラルねじれが反転していることを示している。
• キラルなNF相における極性フラクチュエーションの緩和周波数は、同じ側鎖長を有するアキラルアナログと比較して低く抑えられている。
• 観察された緩和周波数の低減は、キラル系において集団的動態が強化されたり、エネルギー障壁が低下していることを示唆している。
• 分子キラリティの存在により、外部のキラルドーパントを用いずにヘリカル構造が誘導され、メソホーフェーズにおける内在的キラリティが確認された。
• 本系は、側鎖のキラリティがフェロネマチック相におけるキラルネマチック秩序を効果的に誘導および安定化できることを示している。