[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究证明，热致反常各向同性和反铁电性并非RM734特有，而是铁电向列相液晶分子的普遍特性，DIO化合物中亦表现出相同行为。两种化合物的$I_A$相均表现出明显的短程分子堆积：广角X射线衍射显示分子侧向关联及介观调制，其中RM734的周期性为80 Å，而DIO在分子尺度附近表现出层状关联。

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

研究动机与目标

• 探究RM734中的反常各向同性和反铁电性是否仅限于该化合物，还是铁电向列相液晶分子的普遍特性。
• 利用X射线衍射与热分析比较RM734与DIO中$I_A$相的结构与相变行为。
• 确定DIO中$I_A$相是否表现出与RM734相似的弥散X射线衍射特征，以揭示其潜在的共同物理机制。
• 探讨离子掺杂在稳定两种材料中$I_A$相中的作用。

提出的方法

• 合成并表征铁电向列相液晶RM734与DIO。
• 采用广角X射线衍射（WAXS）探测$I_A$相中的短程分子堆积结构。
• 分析小角X射线衍射（SAXS）以检测介观调制与周期性。
• 通过热分析识别相变行为并确认$I_A$相的存在。
• 比较RM734与DIO的X射线衍射图谱，识别$I_A$相结构的异同。
• 掺杂离子液体BMIM-PF6，评估其对两种化合物中$I_A$相稳定性的效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁电向列相中的反常各向同性和反铁电性是否为RM734的材料特异性现象，还是铁电向列相液晶分子的普遍性质？
• RQ2 RM734与DIO中$I_A$相的短程分子堆积关联有何差异？
• RQ3 DIO中$I_A$相弥散X射线衍射特征的来源是什么？其与RM734中的特征如何比较？
• RQ4 离子掺杂BMIM-PF6在多大程度上稳定了RM734与DIO中的$I_A$相？
• RQ5 RM734与DIO的$I_A$相是否表现出相似的介观周期性或结构调制？

主要发现

• DIO中的$I_A$相表现出热致反常各向同性和反铁电性，证实这些现象并非仅限于RM734，而是铁电向列相液晶分子的普遍特性。
• RM734与DIO均在WAXS范围（1 < q < 2 Å⁻¹）内表现出强烈的弥散X射线衍射峰，表明存在短程侧向分子堆积。
• 在RM734中，$I_A$相在q ≈ 0.08 Å⁻¹处显示单一弥散峰，对应约80 Å的介观调制周期性。
• 在DIO中，$I_A$相在q ≈ 0.27 Å⁻¹处表现出更尖锐的弥散峰，接近分子长度的倒数，并显示出清晰的二阶与三阶谐波，表明存在类似层状Smectic的短程有序结构。
• DIO中的$I_A$相表现出一种独特的结构特征，其周期性与分子尺寸相关，暗示其分子关联模式与RM734存在显著差异。
• 离子液体BMIM-PF6的存在显著稳定了两种化合物中的$I_A$相，凸显其在实现这些罕见相态观测中的关键作用。