[論文レビュー] Ideal Mixing of Paraelectric and Ferroelectric Nematic Phases in Liquid Crystals of Distinct Molecular Species

Xi Chen, Zhecong Zhu+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、分子構造が異なる2種類の液晶分子、RM734とDIOの二成分混合系において、反強誘電性および強誘電性ネマチック相の理想混合を実証した。混合系は完全に混ざり合い、理想の熱力学的挙動を示し、電気光学的性質も保持されており、これは類似した分子形状および双極子モーメント（約11 D）に起因する。これにより、安定な室温での強誘電性ネマチック相が形成され、電気光学的応答が向上する。

ABSTRACT

The organic mesogens RM734 and DIO are members of separate molecular families featuring distinct molecular structures. These families, at the present time, are the only ones known to exhibit a ferroelectric nematic liquid crystal (LC) phase. Here we present an experimental investigation of the phase diagram and electro-optics of binary mixtures of RM734 and DIO. We observe paraelectric nematic (N) and ferroelectric nematic (NF) phases in both materials, each of which exhibits complete miscibility across the phase diagram, showing that the paraelectric and ferroelectric are the same phases in RM734 as in DIO. Remarkably, these molecules form ideal mixtures with respect to both the paraelectric-ferroelectric nematic phase behavior and the ferroelectric polarization density of the mixtures, the principal order parameter of the transition. Ideal mixing is also manifested in the orientational viscosity, and the onset of glassy dynamics at low temperature. This behavior is attributable in part to the similarity of their overall molecular shape and net longitudinal dipole moment (~ 11 Debye), and to a common tendency for head-to-tail molecular association. In contrast, the significant difference in molecular structures leads to poor solubility in the crystal phases, enhancing the stability of the ferroelectric nematic phase at low temperature in the mixtures and making possible room temperature electro-optic effects. In the mixtures with excess DIO, an intermediate phase appears via an ultraweak, first-order transition from the N phase, in a narrow temperature range between the paraelectric and ferroelectric nematics.

研究の動機と目的

• 反強誘電性および強誘電性ネマチック相の間の相挙動および可混性を、2種類の異なる分子種であるRM734とDIOの混合系において調査すること。
• RM734およびDIOにおける反強誘電性および強誘電性ネマチック相が熱力学的に同等であり、互いに完全に可混性であるかどうかを特定すること。
• 特に強誘電性分極密度に注目し、混合系における電気光学的応答および秩序パラメータの挙動を検討すること。
• 分子形状、双極子モーメント、および分子間結合の役割が、構造的相違にもかかわらず理想混合を可能にする理由を理解すること。
• 結晶相における溶解度が低いことが、低温における強誘電性ネマチック相の安定性に与える影響を調査すること。

提案手法

• RM734とDIOの組成を変化させた範囲で、差熱走査量熱法および光学顕微鏡を用いた実験的相図の決定。
• 電界誘起スイッチングおよびP-Eヒステリシスループ測定により、強誘電性分極密度を測定。
• 電気光学的緩和法を用いて配向粘性および動的挙動を分析。
• X線回折および偏光顕微鏡を用いて相の同定およびテクスチャの変化を確認。
• 組成を系統的に変化させ、相境界をマッピングし、中間相の検出を試みた。
• ガラス的動態および転移挙動を調査するための補足的特性評価として、熱分析および誘電分光法を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RM734およびDIOにおける反強誘電性および強誘電性ネマチック相は、全組成範囲で完全に可混性を示すか？
• RQ2 混合系における強誘電性分極密度は理想的であるか、すなわち組成に比例して線形に加算され、ずれがないか？
• RQ3 分子形状および双極子モーメント（約11 D）の類似性が、構造的相違にもかかわらず理想混合を可能にするか？
• RQ4 DIO富含混合系において、超弱い一次転移を経て中間相が出現する原因は何か？
• RQ5 結晶相における溶解度が低いことが、低温における強誘電性ネマチック相の安定性にどのように影響するか？

主な発見

• RM734およびDIOにおける反強誘電性および強誘電性ネマチック相は、全組成範囲で完全に可混性であり、両材料におけるこれらの相が熱力学的に同等であることを示唆している。
• 混合系における強誘電性分極密度は、組成に比例する理想的な線形依存関係を示し、理想混合挙動を確認した。
• 配向粘性および電気光学的応答に顕著な偏差は認められず、構造的乱れが最小限であることが示された。
• DIO富含混合系において、反強誘電性ネマチック相からの超弱い一次転移を経て中間相が出現し、その温度範囲は狭い。
• 結晶相における溶解度が低いことが、低温における強誘電性ネマチック相の安定性を高め、室温での電気光学的効果を可能にした。
• 分子形状およびネット双極子モーメント（約11 D）の類似性に加え、ヘッド・ツー・テイル結合の傾向が、顕著な分子構造的相違にもかかわらず理想混合挙動を支えている。