[論文レビュー] Magnetic Tilting in Nematic Liquid Crystals driven by Self-Assembly

Martin Hähsler, Hajnalka Nádasi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2021

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 30被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、ジンクロニウム修飾コバルトフェリットナノ粒子の自己集合によって誘導されるネマチック配向子の傾きを有する画期的な磁気的液体結晶ハイブリッド材料を示している。この傾きは、トポロジカルに支援された、配向子媒介の鎖状構造を形成するスーパーパラ磁性ナノ粒子に起因し、長距離にわたる弾性相互作用により磁場下で斜めに再配列される。外部電場を必要とせず、磁気的光学応答を調整可能にする。

ABSTRACT

Self-assembly is one of the crucial mechanisms allowing to design multifunctional materials. Soft hybrid materials contain components of different nature and exhibit competitive interactions which drive self-organisation into structures of a particular function. Here we demonstrate a novel type of a magnetic hybrid material where the molecular tilt can be manipulated through a delicate balance between the topologically-assisted colloidal self-assembly of ev{magnetic nanoparticles} and the anisotropic molecular interactions in a liquid crystal matrix.

研究の動機と目的

• . 本研究の目的は、自己集合を介して制御可能な分子的傾きを有するネマチック液体結晶における新しい磁気的ハイブリッド材料の開発である。
• . 本研究が取り組む問題は、非一様で自己組織化されたナノ粒子構造を通じて、ネマチック液体結晶における磁場誘起配向子の傾きを実現できる材料の欠如である。
• . 目的は、機能化された磁気的ナノ粒子を用いて、安定的で磁場応答性の高い液体結晶ハイブリッドを実現し、磁気的光学異方性を向上させることである。
• . 本研究では、トポロジカル制約と配向子媒介相互作用が、ナノスケール磁気的分散系におけるミクロスケールスーパー構造を安定化させる仕組みを調査している。

提案手法

• . 4.6 nmのコバルトフェリット（CFO）ナノ粒子を、金属アセチルアセトナートの熱分解法を用い、オクレイン酸とオクタミンを添加して合成した。
• . CFOナノ粒子の表面を（プロ）メソジェニックジンクロニウムリガンドで修飾し、コロイド的安定性とネマチック液体結晶ホスト（5CB）との強い結合を確保した。
• . サウンド処理と遠心分離を用いて凝集体を除去し、均一なDend-MNP-5CBハイブリッド分散体を調製した。
• . 極化光顕微鏡（POM）、小角および広角X線回折（SAXS/WAXS）、インピーダンス分光法、ラーマン分光法を用いて構造的および光学的応答を特徴づけた。
• . 垂直磁場を印加してネマチック配向子の再配列を誘導し、磁気的フレーデリクス転移閾値を測定した。
• . ナノ粒子間の四極子相互作用の遠方ポテンシャルに基づく理論的モデリングを実施：U(r) = (16πKc²)/(9r⁵)(9 − 90cos²θ + 105cos⁴θ)，ここでrは粒子間距離、θは平均配向子に対して相対的な角度、Kは有効弾性定数である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . 磁場が強くない状態でも、配向子媒介相互作用を通じて、ネマチック液体結晶マトリックス内に磁性ナノ粒子が鎖状スーパー構造へ自己集合可能であるか？
• RQ2 . （プロ）メソジェニックジンクロニウムで修飾された磁性ナノ粒子が、磁性相とネマチックマトリックスとの結合にどのように影響を与えるか？
• RQ3 . メソゲンに一様な磁場トルクが作用しない状況下で、ネマチック配向子の磁場誘起傾きの起源は何か？
• RQ4 . トポロジカル制約とネマチック配向子の弾性歪みが、ミクロスケールナノ粒子スーパー構造をどれほど安定化させるか？
• RQ5 . 観察された傾きは、四極子相互作用と斜めアンカーリングを含むモデルによって説明可能であり、古典的磁気的フレーデリクス転移とは異なるメカニズムであるか？

主な発見

• . ジンクロニウム修飾磁性ナノ粒子の質量分率が増加するに従い、磁気的フレーデリクス転移閾値（Bc）が低下した（0.04 wt% から 0.20 wt% へ）。これは、磁気的感度の向上を示している。
• . ネマチック配向子再配列の臨界磁場は、純粋な5CBの約1.2 Tから、0.20 wt% MNP含有量で約0.6 Tに低下し、MNP誘起の磁場増幅により50%の低下を示した。
• . X線回折により、1次元の鎖状スーパー構造が確認され、平均粒子間隔は0.04 wt%で95 nm、0.20 wt%で55 nmであった。これは5CBメソゲンの約10分子長に相当する。
• . 観察されたネマチック配向子の傾きは、古典的磁気的フレーデリクスモデルでは説明できず、自己集合的でトポロジカルに制約されたナノ粒子鎖を含む新規なメカニズムであることが示された。
• . ジンクロニウム修飾MNPの鎖状自己集合は、磁場なし状態でも、配向子媒介の弾性相互作用とナノ粒子表面での有効な径方向アンカーリングによって自発的に進行した。
• . モデルは、磁場トルクが事前に形成された鎖を磁場方向に整列させ、配向子が四極子弾性相互作用を通じて鎖の方向と結合を維持することによって、斜め配向が生じることを説明している。