[論文レビュー] Rheological properties and shear-induced structures of ferroelectric nematic liquid crystals

Ashish Chandra Das, Sathyanarayana Paladugu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2026

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ひとこと要約

論文はせん断流がフェロ電気ネマティック液晶の偏光、粘度、微細構造に与える影響を複数材料と相で調べ、流れの支配域とせん断依存粘度を明らかにする。

ABSTRACT

Recently discovered ferroelectric nematic (NF) liquid crystals are fluids with a polar orientational order. The electric polarization vector can be aligned by an electric field and by surface anchoring. Here, we explore how the polarization field and effective viscosity of the NF materials are affected by shear flows. We explore three NF materials, abbreviated RM734, DIO, and a room-temperature FNLC919, all of which exhibit a paraelectric nematic (N) and the NF phase. All materials show an increase of the viscosity upon cooling, with an Arrhenius behavior. In DIO and FNLC919, the antiferroelectric SmZA phase shows a strong dependence of the effective viscosity on the shear rate: this viscosity is lower than the viscosity of the N and NF phases at high shear rates but is much higher when the shear rate is low. The behavior is associated with the layered structure of the SmZA phase. All mesophases exhibit shear-thinning behavior at low shear rates and a nearly Newtonian behavior at higher shear rates. In terms of alignment, we observe three regimes in the N and NF phases: flow-alignment at low shear rates, log-rolling regime with the director and polarization along the vorticity axis at high shear rates, and polydomain structures at intermediate rates. In the flow-aligning regime, the NF polarization does not tilt away from the shear direction, which is in sharp contrast to the flow-induced tilt of the N director. The effect is attributed to the avoidance of splay deformations and associated space charge in the flowing NF. The temperature and shear rate dependencies of the viscosity and the uncovered shear-induced structural effects of NF advance our understanding of these materials and potentially facilitate their applications.

研究の動機と目的

• フェロ電気ネマティック（NF）液体における偏光と有効粘度がせん断流にどのように応答するかを理解する。
• パラ電気ネマティック（N）、NF、SmZA反強誘電相を横断する粘度挙動を特徴付ける。
• NF材料におけるせん断率依存の構造・配向支配域を同定・記述する。
• 表面アンカリングと電気偏光が流れと流粘性に与える影響を検討する。

提案手法

• 3つのNF材料について粘度と温度・せん断率依存性を実験的に測定する。
• N、NF、SmZAを含む相系列を同定し、これらの流粘性応答を評価する。
• 異なるせん断率下での流れ量子（ディレクター/偏光）配向を特徴付ける。
• NFにおける流れによる開先ひずみと空間電荷の役割を分析し、流れ整列挙動を説明する。
• Nと比較してNFの偏光が流れ下での流れ整列域で配向を保つ傾向があり、空間電荷回避を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 せん断流はNF材料の粘度を相（N、NF、SmZA）を横断してどのように影響するか？
• RQ2 せん断下でのNFおよびN相における異なる配向支配域（流れ整列、ログローリング、ポリドメイン）は何か？
• RQ3 NFの偏光はN相のディレクターと比較して流れにどのように応答するか？
• RQ4 SmZA相でせん断下に生じる構造変化は何で、流粘性にどう影響するか？
• RQ5 流れ下でNFがNと異なる粘度依存を示す理由は、特に空間電荷の回避に関してどう説明されるべきか？

主な発見

• 粘度は材料を通じてアレニウス挙動に従って冷却とともに増加する。
• DIOとFNLC919ではSmZAが強いせん断率依存粘度を示し、高せん断で低く、低せん断で非常に高くなることが多く、層状構造に関連している。
• すべての中間相は低せん断での剪断降下を示し、高せん断でほぼニュートン流体に近い挙動を示す。
• NおよびNFにおいて3つの流れ支配域を観測: 低せん断での流れ整列、高せん断でのログローリング、中間せん断でのポリドメイン構造。
• NFの偏光は流れ整列領域で流れ方向に整列しやすく、Nディレクターの傾斜とは異なり、流れ中の開扇（ひずみ）および空間電荷を回避する傾向を示す。