[论文解读] Magnetic Tilting in Nematic Liquid Crystals driven by Self-Assembly

Martin Hähsler, Hajnalka Nádasi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2021

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 30被引用 17

一句话总结

本研究展示了一种新型磁性液晶杂化材料，其中向列相液晶的取向倾角由树状功能化钴铁氧纳米颗粒在磁场驱动下的自组装诱导产生。该倾角源于拓扑辅助的、由取向场介导的超顺磁性纳米颗粒链状结构形成，这些纳米颗粒在磁场作用下因长程弹性相互作用而发生斜向重排，从而在无需外加电场的情况下实现可调的磁光响应。

ABSTRACT

Self-assembly is one of the crucial mechanisms allowing to design multifunctional materials. Soft hybrid materials contain components of different nature and exhibit competitive interactions which drive self-organisation into structures of a particular function. Here we demonstrate a novel type of a magnetic hybrid material where the molecular tilt can be manipulated through a delicate balance between the topologically-assisted colloidal self-assembly of ev{magnetic nanoparticles} and the anisotropic molecular interactions in a liquid crystal matrix.

研究动机与目标

• 本研究旨在开发一类新型磁性杂化材料，通过自组装实现对向列相液晶中分子倾角的可控调节。
• 本研究解决的问题是缺乏能够通过非均匀、自组织的纳米颗粒结构实现磁场诱导向列相液晶取向倾角的材料。
• 本研究的目标是通过功能化磁性纳米颗粒，实现稳定、磁场响应的液晶杂化材料，并增强其磁光各向异性。
• 本研究探讨拓扑约束与取向场介导的相互作用如何在纳米尺度磁性分散体系中稳定介观尺度的超结构。

提出的方法

• 通过金属乙酰丙酮配合物的热分解法，使用油酸和油胺合成4.6 nm的钴铁氧（CFO）纳米颗粒。
• 利用（原）介晶性树状配体对CFO纳米颗粒进行表面功能化，以确保其在向列相液晶基质（5CB）中的胶体稳定性和强耦合。
• 通过超声处理和离心分离制备均匀的Dend-MNP-5CB杂化分散体系，以去除聚集体。
• 采用偏光显微镜（POM）、小角和广角X射线衍射（SAXS/WAXS）、电化学阻抗谱及拉曼光谱对结构和光学响应进行表征。
• 施加垂直于液晶取向的磁场，诱导向列相液晶取向场重排，并测量磁弗莱德里克斯过渡阈值。
• 基于纳米颗粒间四极相互作用的远场势能理论建模：U(r) = (16πKc²)/(9r⁵)(9 − 90cos²θ + 105cos⁴θ)，其中r为粒子间距，θ为相对于平均取向场的夹角，K为有效弹性常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无强磁场条件下，磁性纳米颗粒是否可通过取向场介导的相互作用在向列相液晶基质中自组装成链状超结构？
• RQ2 磁性纳米颗粒经（原）介晶性树状配体功能化后，如何影响磁性相与向列相基质之间的耦合？
• RQ3 在介晶分子未受到均匀磁力矩作用的情况下，磁性场诱导的向列相液晶取向场倾角的起源是什么？
• RQ4 拓扑约束与向列相取向场的弹性畸变在稳定介观尺度纳米颗粒超结构方面起多大作用？
• RQ5 所观察到的倾角是否可用包含四极相互作用与斜向锚定的模型解释，而非经典磁弗莱德里克斯过渡模型？

主要发现

• 磁弗莱德里克斯过渡阈值（Bc）随树状功能化磁性纳米颗粒质量分数的增加而降低（从0.04 wt%降至0.20 wt%），表明磁敏感性增强。
• 向列相液晶取向场重排的临界磁场从纯5CB的约1.2 T降至0.20 wt% MNP负载时的约0.6 T，由于MNP诱导的场增强效应，实现50%的降低。
• X射线衍射证实存在一维链状超结构，平均粒子间距分别为95 nm（0.04 wt%）和55 nm（0.20 wt%），对应约10个5CB介晶分子的长度。
• 观察到的向列相液晶取向场倾角无法用经典磁弗莱德里克斯模型解释，表明存在一种新型机制：即自组装的、拓扑受限的纳米颗粒链。
• 树状修饰的MNP在无场状态下自发形成链状结构，其驱动力为取向场介导的弹性相互作用及纳米颗粒表面的有效径向锚定。
• 该模型解释了斜向排列的成因：磁场力矩使预先形成的链沿磁场方向对齐，而取向场通过四极弹性相互作用与链的取向保持耦合。