[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了在两种不同分子结构的向列相液晶分子RM734与DIO的二元混合物中，反铁电相与铁电相之间实现理想混合。尽管分子结构不同，混合物表现出完全互溶、理想热力学行为以及保持不变的电光性能，归因于相似的分子形状和偶极矩（约11 D），从而实现稳定室温下的铁电向列相，并展现出增强的电光响应。

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.

研究动机与目标

• 研究两种不同分子物种RM734与DIO的反铁电相与铁电向列相之间的相行为与互溶性。
• 确定RM734与DIO中的反铁电相与铁电向列相是否在热力学上等价且相互完全互溶。
• 研究混合物中的电光响应与序参量行为，特别是铁电极化密度。
• 理解分子形状、偶极矩及分子间缔合行为在结构差异下实现理想混合的作用机制。
• 探讨晶体相中溶解度差对低温下铁电向列相稳定性的影响。

提出的方法

• 利用差示扫描量热法与光学显微镜，系统测定不同组成下RM734与DIO的相图。
• 通过电场诱导切换与P-E滞后回线测量铁电极化密度。
• 利用电光弛豫技术分析取向黏度与动力学行为。
• 结合X射线衍射与偏光显微镜确认相态身份与纹理演变。
• 系统调节组成以绘制相边界并检测中间相。
• 补充表征包括热分析与介电谱学，以探测玻璃化动力学与相变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 RM734与DIO中的反铁电相与铁电向列相是否在所有组成范围内均表现出完全互溶？
• RQ2 混合物中的铁电极化密度是否理想，即是否呈线性可加性且与组成严格相关而无偏离？
• RQ3 尽管分子结构不同，但分子形状与偶极矩（约11 D）的相似性是否能实现理想混合？
• RQ4 DIO富集混合物中出现中间相的原因是什么，其是否源于一种极微弱的一级相变？
• RQ5 晶体相中溶解度差如何影响低温下铁电向列相的稳定性？

主要发现

• RM734与DIO中的反铁电相与铁电向列相在整个组成范围内完全互溶，表明两种材料中该两相在热力学上等价。
• 混合物中的铁电极化密度表现出理想线性依赖于组成，证实了理想混合行为。
• 混合物在取向黏度与电光响应方面无显著偏离，表明结构扰动极小。
• 在DIO富集混合物中，中间相通过从反铁电向列相发生的极微弱一级相变形成，且存在于极窄温度范围内。
• 晶体相中溶解度差增强了低温下铁电向列相的稳定性，从而实现室温下的电光效应。
• 分子形状与净偶极矩（约11 D）的相似性，以及头尾缔合趋势，是尽管分子结构不同仍能实现理想混合的根本原因。