[논문 리뷰] Magnetic Tilting in Nematic Liquid Crystals driven by Self-Assembly

Martin Hähsler, Hajnalka Nádasi외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 06.

Liquid Crystal Research Advancements참고 문헌 30인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 덴트론 기능화된 코발트 페라이트 나노입자의 자기장 유도 자가 조립을 통해 나이테닉 액정의 정렬 방향 기울임을 유도하는 새로운 자기적 액정 하이브리드 재료를 제시한다. 기울임은 초순자성 나노입자의 상호작용에 의해 유도되는 위상적 보조 효과를 받는 정렬 매개 체인 형성에 기인하며, 장거리 탄성 상호작용으로 인해 자기장 하에서 기울어진 채로 재정렬되며, 외부 전기장 없이도 조절 가능한 자화-광학 반응을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• . 본 연구는 분자 기울임이 자가 조립을 통해 제어 가능한 새로운 종류의 자기 하이브리드 재료 개발을 목표로 한다.
• . 해결하고자 하는 문제는 비균일한 자가 조립 나노입자 구조를 통해 나이테닉 액정에서 자기장에 의한 정렬 기울임을 가능하게 하는 재료의 부족이다.
• . 목표는 功能화된 자기 나노입자를 통해 안정적이고 자기장 반응성인 액정 하이브리드 재료를 개발하고, 자화-광학 이방성의 향상을 이루는 것이다.
• . 본 연구는 위상적 제약 조건과 정렬 매개 상호작용이 나노스케일 자기 분산체에서 미세구조 초구조를 어떻게 안정화하는지 조사한다.

제안 방법

• . 4.6 nm 크기의 코발트 페라이트(CFO) 나노입자를 금속 아세틸아세톤화합물의 열분해를 통해 올레산과 올레일아민를 사용하여 합성한다.
• . CFO 나노입자를 (프로)메조제닉 덴트론 리간드로 표면 기능화하여 콜로이드적 안정성과 나이테닉 액정 기질(5CB)과의 강한 결합을 확보한다.
• . 고르게 분산된 Dend-MNP-5CB 하이브리드 분산액을 초음파 처리 및 원심분리로 군집을 제거하여 제조한다.
• . 구조 및 광학 반응을 특성화하기 위해 투과형 광학 현미경(POM), 소각도 및 광각 X선 회절(SAXS/WAXS), 임피던스 스펙트로스코피, 라만 스펙트로스코피를 사용한다.
• . 수직 자기장을 적용하여 나이테닉 정렬 방향의 재정렬을 유도하고, 자기 프레데르리츠 전이 임계값을 측정한다.
• . 나노입자 간 이중극자 상호작용에 대한 원거리 잠재 에너지 모델 기반 이론적 해석: U(r) = (16πKc²)/(9r⁵)(9 − 90cos²θ + 105cos⁴θ), 여기서 r은 입자 간 거리, θ는 평균 정렬 방향에 대한 각도, K는 효과적인 탄성 상수이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 자기장이 강하게 작용하지 않더라도, 정렬 매개 상호작용을 통해 나노입자가 나이테닉 액정 매트릭스 내에서 체인 형태의 초구조로 자가 조립될 수 있는가?
• RQ2 . (프로)메조제닉 덴트론으로 기능화된 자기 나노입자가 자기상과 나이테닉 매트릭스 간의 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 . 메조제닉 분자에 균일한 자기 토크가 작용하지 않는 조건에서 나이테닉 정렬 방향의 자기장 유도 기울임의 기원은 무엇인가?
• RQ4 . 위상적 제약 조건과 나이테닉 정렬 방향의 탄성 왜곡이 미세구조 나노입자 초구조를 얼마나 안정화시키는가?
• RQ5 . 관측된 기울임이 고전적 자기 프레데르리츠 전이가 아닌, 이중극자 상호작용과 기울어진 고정력에 기반한 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• . 덴트론 기능화된 자기 나노입자의 질량 분율 증가에 따라 자기 프레데르리츠 전이 임계값(Bc)이 감소하여, 자기 감도 향상이 확인되었다(0.04 wt%에서 0.20 wt%로).
• . 순수한 5CB에서의 임계 자기장은 약 1.2 T였지만, 0.20 wt% MNP 적재 시 약 0.6 T로 감소하여 50% 감소함을 보이며, MNP에 의한 자기장 증폭 효과가 확인되었다.
• . X선 회절 분석을 통해 평균 입자 간격이 각각 95 nm(0.04 wt%) 및 55 nm(0.20 wt%)인 1차원 체인 형태의 초구조가 존재함을 확인하였으며, 이는 5CB 메조제닉 분자의 약 10배 길이에 해당한다.
• . 관측된 나이테닉 정렬 방향의 기울임은 고전적 자기 프레데르리츠 모델로는 설명되지 않아, 자가 조립된 위상적으로 제약된 나노입자 체인에 기반한 새로운 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• . 덴트론화된 MNP의 자가 조립은 자기장이 없는 상태에서도 정렬 매개 탄성 상호작용과 나노입자 표면에서의 효과적인 반경 방향 고정력에 의해 자발적으로 발생한다.
• . 이론 모델은 자기장이 사전에 형성된 체인을 자기장 방향으로 정렬시키는 자기적 토크 작용과, 이중극자 탄성 상호작용을 통해 정렬이 체인의 정렬 방향과 결합되어 있음을 설명한다.