[論文レビュー] Orientational Order in the Nematic and Heliconical Nematic Liquid Crystals

Gautam Singh, Deña M. Agra-Kooijman+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、X線回折および偏光顕微鏡を用いて、ネマチック（N）相およびヘリコネーシャルネマチック（Ntb）相における配向秩序を調査した。<P4(cosθ)>が負であることを確認することで、Ntb相における円錐型分子配向が裏付けられ、N–Ntb転移より下で0°から約27°に増加する傾き角が示され、その増加は平均場理論や三重点理論の予測とは著しく異なる非平均場のべき乗則（指数〜−0.12）に従うことが明らかになった。

ABSTRACT

X-ray scattering and polarized microscopic studies of the structure and order parameters in the nematic (N) and heliconical, or the twist-bend nematic (Ntb), phase have been performed as a function of temperature. The nematic orientational order parameters and in the nematic phases of CB7CB and its mixtures with less than 20 wt% CB6CB reveal that they both increase with decreasing temperature in the N phase. Both order parameters decrease upon entering the Ntb phase and becomes negative providing a direct confirmation of the conical molecular orientational distribution. The heliconical tilt angle, estimated from the orientational distribution functions (ODFs), in all cases increases from zero at the N - Ntb transition to approximately 27° at about 40 K below the transition, in excellent agreement with freeze fracture transmission electron microscopy results of Chen and the birefringence results of Meyer. The growth of the tilt angle in the Ntb phase follows a single power law with exponents between ~0.09 +/- 0.01 to -0.12 +/- 0.01, which is far from the expected tricritical or mean field exponents of 0.25 or 0.5. The temperature dependence of the tilt angle calculated from the ODFs also is in good qualitative agreement with the values estimated from optical studies of their ropelike textures within adjacent blocks of left- and right-handed twist in homogeneously aligned cells.

研究の動機と目的

• ネマチック相およびヘリコネーシャルネマチック相における配向秩序パラメータ <P2(cosθ)> と <P4(cosθ)> の特徴を付与する。
• Ntb相における分子配向分布関数（ODF）を特定し、円錐型秩序の確認を行う。
• ヘリコネーシャル傾き角の温度依存性を測定し、光学的および電子顕微鏡のデータと比較する。
• 傾き角の進化が平均場理論または三重点臨界指数に従うかどうかを検証する。
• 均一に配向したセル内のロープ状テクスチャの実験的観察と、ODFから導かれた傾き角の整合性を検証する。

提案手法

• X線回折を用いて、温度関数としての配向秩序パラメータ <P2(cosθ)> と <P4(cosθ)> を測定した。
• 偏光顕微鏡を用いて、特に配向したセル内のロープ状ドメインを含むテクスチャおよびヘリコネーシャル構造を分析した。
• 散乱データから得られた配向分布関数（ODF）を用いて、分子配向の再構築と傾き角の推定を行った。
• Chenらの凍結切断走査電子顕微鏡（TEM）データを、傾き角測定の基準として用いた。
• Meyerらの屈折率測定データを用いて、ODFに基づく傾き角推定値の妥当性を検証した。
• 傾き角の温度依存性にべき乗則フィッティングを適用し、臨界指数を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネマチック相からヘリコネーシャルネマチック相への転移に伴い、配向秩序パラメータ <P2(cosθ)> と <P4(cosθ)> はどのように変化するか？
• RQ2 Ntb相における分子配向分布の性質は何か？また、これは円錐型秩序を裏付けているか？
• RQ3 N–Ntb転移より下で、ヘリコネーシャル傾き角は温度にどのように依存するか？
• RQ4 傾き角の温度依存性は、平均場理論的または三重点臨界挙動に従うか？
• RQ5 ODFから導かれた傾き角は、均一に配向したセルにおけるヘリコネーシャルテクスチャの光学的および電子顕微鏡的観察とどの程度一致するか？

主な発見

• <P4(cosθ)> 秩序パラメータがNtb相で負となることにより、円錐型分子配向の直接的証明が得られた。
• ヘリコネーシャル傾き角は、N–Ntb転移点で0°から、転移温度から約40 K下で約27°に増加した。
• 傾き角の温度依存性は、指数が −0.12 ± 0.01 の単一のべき乗則に従い、予想される平均場理論（0.5）や三重点理論（0.25）の指数とは著しく異なることが明らかになった。
• ODFから導かれた傾き角は、均一に配向したセルにおけるロープ状テクスチャの光学的研究と良好な定性的一致を示した。
• ODFに基づく傾き角推定値は、Chenの凍結切断TEM結果およびMeyerの屈折率データと非常に良好に一致した。
• N相においては、<P2(cosθ)> と <P4(cosθ)> が温度が低下するにつれて増加し、配向秩序が強化されていることが示された。