[논문 리뷰] Identification of New Assembly Mode in the Heliconical Nematic Phase via Tender Resonant X-ray Scattering

Yu Cao, Jun Feng외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 25.

Liquid Crystal Research Advancements참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 액정의 비틀림-편향 정성상태(NTB)에서 투과성 공진 X선 산란(TReXS)을 이용해 새로운 자가 조립 방식을 규명한다. 황의 K극대에서의 부드러운 공진 X선 산란을 통해 에너지 의존성 산란 강도를 X선 흡수로 얻은 복소 굴절률과 연관시켜, 이전에 발견되지 않았던 나선형 정성상 구조 내에서의 정렬 배치 메커니즘이 정량적으로 일치함을 입증하였다. 이는 동적 및 정적 복잡한 상을 탐색하는 데 새로운 길을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비틀림-편향 정성상(NTB) 상에서 분자 수준의 조립 메커니즘을 조사하는 것, 이는 액정에서 복잡한 나선형 정성상이다.
• 공진 X선 산란이 전통적인 위치 정렬을 초월해 정렬 및 전자 구조 세부 정보를 드러낼 수 있는지 확인하는 것.
• 산란 반응과 전자 전이를 연관시켜 액정 이량체에서 새로운 자가 조립 방식을 규명하는 것.
• NTB 상에서 에너지 의존성 산란 강도와 복소 굴절률 사이의 정량적 연관성을 설정하는 것.
• 외부 자극 하에서 동적 및 정적 정렬 구조를 향한 향후 탐색을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• NTB 상의 전자적 및 구조적 반응을 탐색하기 위해 황의 K극대에서 부드러운 공진 X선 산란(TReXS)을 수행하였다.
• 황의 K극대 흡수 에지 근처에서 에너지 의존성 산란 강도를 측정하여 공진 효과를 탐지하였다.
• 직접 X선 흡수 스펙트로스코피를 통해 복소 굴절률을 측정하여 직접 비교하였다.
• 산란 피크의 에너지 의존성을 복소 굴절률의 에너지 의존성과 정량적으로 비교하였다.
• 산란 및 흡수 데이터의 자기 일관성 있는 분석을 통해 새로운 분자 배열 방식을 규명하였다.
• 부드러운 X선 산란과 공진 스펙트로스코피의 조합을 통해 위치 정기성 초월 정렬 순서를 해결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NTB 상에서 공진 X선 산란 신호는 복소 굴절률과 같은 전자 구조 매개변수와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 특정 분자 배열 배치는 나선형 정성상 상에서 관측된 공진 산란을 유도하는가?
• RQ3 산란 피크의 에너지 의존성이 물질의 전자 반응에 의해 정량적으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 NTB 상에서 공진 산란과 흡수 스펙트로스코피를 조합함으로써 어떤 새로운 자가 조립 메커니즘이 드러나는가?
• RQ5 공진 X선 기법을 어떻게 활용하여 단순한 위치 정렬을 초월한 복잡한 액정 상의 정렬 순서를 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• TReXS 산란 피크의 에너지 의존성이 X선 흡수 스펙트로스코피로 측정된 복소 굴절률의 에너지 의존성과 일치한다.
• 이 정량적 일치는 특정 액정 이량체에서 나선형 정성상 상에서 새로운 자가 조립 방식이 존재함을 직접적인 증거로 제시한다.
• 관측된 공진 산란은 위치 정기성 때문이 아니라 정렬 및 전자 구조 효과에서 기인한다.
• 이 연구는 공진 X선 산란이 기존의 브라agg-유사 회절을 초월해 분자 배열을 탐지할 수 있음을 입증한다.
• 결과적으로 이 연구는 부드러운 물질에서 복잡한 정렬 구조를 공진 X선 기법을 사용해 식별하는 새로운 프레임워크를 구축한다.
• 이러한 발견은 외부 자극에 대한 반응으로 동적 및 정적 정렬 순서를 연구하는 데 새로운 길을 열어준다.