[论文解读] Orientational Order in the Nematic and Heliconical Nematic Liquid Crystals

Gautam Singh, Deña M. Agra-Kooijman+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

Liquid Crystal Research Advancements参考文献 22被引用 4

一句话总结

本研究通过X射线衍射和偏光显微镜研究了向列相（N）和螺旋向列相（Ntb）液晶中的取向序。通过负的<P4(cosθ)>确认了Ntb相中分子的圆锥形取向分布，发现N–Ntb相变温度以下的倾斜角从0°增加至约27°，且倾斜角的增长遵循非平均场幂律，指数约为−0.12，与三临界或平均场理论预期明显偏离。

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.

研究动机与目标

• 表征向列相与螺旋向列相中<P2(cosθ)>和<P4(cosθ)>的取向序参量。
• 确定Ntb相中的分子取向分布函数（ODF），并验证圆锥形序。
• 测量螺旋向列相倾斜角随温度的变化，并与光学和电子显微镜数据进行比较。
• 检验倾斜角演化是否符合平均场或三临界临界指数。
• 验证基于ODF的倾斜角与均匀取向细胞中绳状纹理实验观测的一致性。

提出的方法

• 利用X射线衍射测量<P2(cosθ)>和<P4(cosθ)>随温度的变化。
• 偏光光学显微镜分析纹理与螺旋结构，特别关注取向细胞中的绳状畴。
• 从散射数据推导取向分布函数（ODF），以重建分子取向并估算倾斜角。
• 采用Chen的冷冻断裂透射电子显微镜（TEM）数据作为倾斜角测量的参考。
• 交叉比对Meyer的双折射测量数据，以验证基于ODF的倾斜角估计。
• 对倾斜角随温度的依赖关系进行幂律拟合，以提取临界指数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在向列相到螺旋向列相的相变过程中，取向序参量<P2(cosθ)>和<P4(cosθ)>如何演化？
• RQ2 Ntb相中分子取向分布的性质是什么？是否证实了圆锥形序？
• RQ3 在N–Ntb相变温度以下，螺旋向列相的倾斜角如何随温度变化？
• RQ4 倾斜角随温度的依赖关系是否符合平均场或三临界临界行为？
• RQ5 基于ODF的倾斜角与光学和电子显微镜对螺旋纹理的观测在多大程度上一致？

主要发现

• <P4(cosθ)>序参量在Ntb相中变为负值，为分子的圆锥形取向提供了直接证据。
• 螺旋向列相的倾斜角从N–Ntb相变温度处的0°增加至约40 K以下时的27°。
• 倾斜角随温度的依赖关系遵循单一幂律，指数为−0.12 ± 0.01，与预期的平均场（0.5）或三临界（0.25）指数显著偏离。
• 基于ODF的倾斜角与均匀取向细胞中绳状纹理的光学研究结果具有良好定性一致性。
• 基于ODF的倾斜角估计与Chen的冷冻断裂TEM结果以及Meyer的双折射数据高度一致。
• <P2(cosθ)>和<P4(cosθ)>在向列相中随温度降低而增大，表明取向序增强。