[論文レビュー] Thermotropic reentrant isotropy and antiferroelectricity in the ferroelectric nematic realm: Comparing RM734 and DIO

Bingchen Zhong, Min Shuai+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2023

Liquid Crystal Research Advancements被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、RM734に特有のものではなく、強誘電性ネマチック相生成体の一般的な特徴であることが示された。RM734と同様にDIOでも熱的再帰的アイソトロピーと反強誘電性が観察された。両化合物の$I_A$相では、明確な短距離分子配列が見られ、散乱パターンから側面対向の相関とミクロスケールの周期的構造が判明した。RM734では80 Åの周期性が、DIOでは分子サイズに近いスケールでの層状相に類似した相関が観察された。

ABSTRACT

The current intense study of ferroelectric nematic liquid crystals was initiated by the observation of the same ferroelectric nematic phase in two independently discovered organic rod-shaped mesogenic compounds, RM734 and DIO. We recently reported that the compound RM734 also exhibits a monotropic, low-temperature, antiferroelectric phase having reentrant isotropic symmetry (the $I_A$ phase), the formation of which is facilitated to a remarkable degree by doping with small (below $1\%$) amounts of the ionic liquid ${ m BMIM-PF}_6$. Here we report similar phenomenology in DIO, showing that this reentrant isotropic behavior is not only a property of RM734 but is rather a more general, material-independent feature of ferroelectric nematic mesogens. We find that the reentrant isotropic phases observed in RM734 and DIO are similar but not identical, adding two new phases to the ferroelectric nematic realm. The two $I_A$ phases exhibit similar, strongly peaked, diffuse x-ray scattering in the WAXS range $(1

研究の動機と目的

• RM734における再帰的アイソトロピーと反強誘電性が、特定の化合物に特有のものであるか、それとも強誘電性ネマチック相生成体の一般的な性質であるかを調査すること。
• WAXSと熱分析を用いて、RM734とDIOの$I_A$相の構造的および相挙動を比較すること。
• DIOの$I_A$相が、RM734と同様に散乱特徴を示すかどうかを検証し、共通の物理的メカニズムの存在を確認すること。
• イオン液体ドーピングが両材料の$I_A$相の安定化に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 強誘電性ネマチック液体結晶RM734とDIOの合成と特性評価。
• $I_A$相における短距離分子配列を調べるためのワイドアングルX線回折（WAXS）の使用。
• ミクロスケールの周期的構造や調査のための小角X線回折（SAXS）の分析。
• 相転移の同定と$I_A$相の存在を確認するための熱分析。
• RM734とDIOのX線回折パターンを比較し、$I_A$相構造の類似点と相違点を特定すること。
• イオン液体BMIM-PF6をドーピングし、両化合物における$I_A$相の安定化に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強誘電性ネマチック相における再帰的アイソトロピーと反強誘電性は、RM734に特有の物性であるのか、それとも強誘電性ネマチック相生成体の一般的な性質であるのか。
• RQ2 RM734とDIOの$I_A$相における短距離分子配列相関は、どのように異なるか。
• RQ3 DIOの$I_A$相における散乱の拡散的特徴の起源は何か。また、RM734のそれと比較してどう異なるか。
• RQ4 イオン液体BMIM-PF6をドーピングすることで、RM734およびDIOの$I_A$相はどの程度安定化されるか。
• RQ5 RM734とDIOの$I_A$相は、類似したミクロスケールの周期性や構造的周期的変動を示すか。

主な発見

• DIOの$I_A$相においても熱的再帰的アイソトロピーと反強誘電性が観察され、これらはRM734に特有のものではなく、強誘電性ネマチック相生成体の一般的な性質であることが確認された。
• RM734とDIOの両方で、WAXS領域（1 < q < 2 Å⁻¹）において強くピークを持つ拡散的X線散乱が観察され、短距離の側面対向分子配列が示された。
• RM734では、$I_A$相にq ≈ 0.08 Å⁻¹の単一の拡散ピークが観察され、約80 Åのミクロスケールの周期的構造に対応した。
• DIOでは、$I_A$相にq ≈ 0.27 Å⁻¹の鋭い拡散ピークが観察され、分子サイズの逆数に近い位置にあり、スメクチック層に類似した短距離秩序を示す第2および第3調和成分が明確に観察された。
• DIOの$I_A$相は、分子寸法に起因する周期性を示す特徴的な構造的シグナルを有しており、RM734とは異なる分子相関のメカニズムが関与している可能性を示唆している。
• イオン液体BMIM-PF6の存在が、両化合物の$I_A$相の安定化に顕著に寄与しており、これらの稀な相の観察を可能にする重要な要因であることが示された。