[논문 리뷰] Orientational Order in the Nematic and Heliconical Nematic Liquid Crystals

Gautam Singh, Deña M. Agra-Kooijman외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 28.

Liquid Crystal Research Advancements참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 X선 회절 및 투과형 광학 현미경을 이용해 난류성(N) 및 나선형 난류성(Ntb) 액정에서의 정렬 순서를 조사한다. 음의 <P4(cosθ)>를 통한 Ntb 상에서의 원뿔형 분자 분포 확인, N–Ntb 전이 이하에서 0°에서 약 27°로 증가하는 기울기 각도, 그리고 평균장 이론과는 다름없이 비평균장의 거듭제곱 법칙(지수 약 −0.12)에 따라 기울기 성장이 일어남을 보여주며, 삼중점 또는 평균장 이론 예측과 다릅니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 난류성 및 나선형 난류성 상에서의 정렬 순서 매개변수 <P2(cosθ)>와 <P4(cosθ)>를 특성화하기.
• Ntb 상에서의 분자 정렬 분포 함수(ODF)를 도출하고 원뿔형 질서를 확인하기.
• 나선형 기울기 각도의 온도 의존성을 측정하고 광학 및 전자현미경 데이터와 비교하기.
• 기울기 각도 변화가 평균장 또는 삼중점 임계 지수를 따르는지 테스트하기.
• 균일하게 정렬된 세포에서의 로프 모양 텍스처 관측 결과와 ODF에서 유도된 기울기 각도가 얼마나 일치하는지 검증하기.

제안 방법

• 온도 함수로 <P2(cosθ)> 및 <P4(cosθ)> 순서 매개변수를 측정하기 위해 X선 회절을 사용함.
• 특히 균일하게 정렬된 세포에서의 로프 모양 도메인을 분석하기 위해 투과형 편광 광학 현미경을 사용함.
• 산란 데이터에서 유도된 정렬 분포 함수(ODF)를 통해 분자의 정렬을 재구성하고 기울기 각도를 추정함.
• Chen의 동결-절단 투과형 전자현미경(TEM) 데이터를 기울기 각도 측정의 기준으로 사용함.
• Meyer의 비틀림 밀도 측정 데이터를 ODF 기반 기울기 각도 추정치의 검증을 위해 참조함.
• 기울기 각도의 온도 의존성에 거듭제곱 법칙 피팅을 적용하여 임계 지수를 추출함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류성에서 나선형 난류성 상 전이에 걸쳐 <P2(cosθ)> 및 <P4(cosθ)> 정렬 순서 매개변수는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Ntb 상에서의 분자 정렬 분포의 성격은 무엇이며, 이는 원뿔형 질서를 확인하는가?
• RQ3 N–Ntb 전이 이하에서 나선형 기울기 각도는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 기울기 각도의 온도 의존성은 평균장 또는 삼중점 임계 행동을 따르는가?
• RQ5 ODF에서 유도된 기울기 각도는 광학 및 전자현미경으로 관측된 나선형 텍스처와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• <P4(cosθ)> 질서 매개변수는 Ntb 상에서 음수가 되어 원뿔형 분자 정렬을 직접적으로 뒷받침함.
• 나선형 기울기 각도는 N–Ntb 전이에서 0°에서 시작하여 전이 온도 이하 약 40 K에서 약 27°로 증가함.
• 기울기 각도의 온도 의존성은 지수가 −0.12 ± 0.01인 단일 거듭제곱 법칙을 따르며, 기대되는 평균장(0.5) 또는 삼중점(0.25) 지수와는 현저히 다름.
• ODF에서 유도된 기울기 각도는 균일하게 정렬된 세포에서의 로프 모양 텍스처 광학 연구 결과와 양적 일치함.
• ODF 기반 기울기 각도 추정치는 Chen의 동결-절단 TEM 결과와 Meyer의 비틀림 밀도 데이터와 뛰어난 일치함.
• <P2(cosθ)> 및 <P4(cosθ)>는 난류성 상에서 온도가 내려갈수록 증가하여 정렬 질서가 향상됨을 나타냄.