_ Un cristal lichid dimeric feroelectric cu un imens cristal spontan polarizare și constantă dielectrică la temperaturi scăzute

La Tokyo Tech LG Material & Life Solution Collaborative Research Cluster, o echipă comună de cercetare a dezvoltat un cristal lichid dimer feroelectric cu polarizare spontană care depășește (8 μCcm-2) și o constantă dielectrică care depășește 8.000 la temperaturi scăzute. Descoperirile sunt publicate în The Journal of Physical Chemistry B.

Cristalele lichide ferroelectrice sunt un tip unic de cristale lichide care au polarizare spontană ridicată și constantă dielectrică. Printre acestea, moleculele dimerice au o structură moleculară simplă și pot forma o fază feroelectrică la temperaturi scăzute, așa că se așteaptă să fie un material cu multe aplicații.

Cercetătorii au dezvoltat o moleculă dimerică numită di-5 (3FM-C4T), care are un miez de mezogen substituit cu fluor legat de aripile laterale printr-un distanțier pentametilen.

Cercetătorii au confirmat că această moleculă dimerică prezintă cristalinitate lichidă la temperaturi scăzute (55°C până la 211°C). ), și este compus din trei faze polare: nematică, smectică și izotropă, cu o polarizare spontană uriașă (8 μCcm-2) și constantă dielectrică (8.000).

Cercetătorii au reușit să dezvolte un lichid dimeric. cristal care prezintă feroelectricitate la temperaturi scăzute. Utilizarea moleculelor dimerice dezvoltate prin această cercetare va permite crearea de tehnologii precum condensatoare pentru dispozitive electronice mai mici și consum redus de energie, elemente piezoelectrice și actuatoare electrostatice care pot fi acționate la tensiuni joase și afișaje holografice care arată videoclipuri tridimensionale.

Această dezvoltare este de așteptat să conducă la noi aplicații în domenii precum automobile, roboți industriali și echipamente medicale.

Aceste rezultate ale cercetării au fost obținute de Tokyo Tech LG Material & Life Solution Collaborative Clusterul de cercetare, compus din Shigemasa Nakasugi (cercetător comun cu industria și alte organizații, inclusiv sectorul privat), adj. prof. Hiroki Ishizaki, Adj. conf. univ. Prof. Sung Min Kang de la LG Japan Lab, Prof. Masato Sone, Adj. Prof. Junji Watanabe și Conf. univ. Prof. Tso-Fu Mark Chang de la Laboratorul pentru viitoarele cercetări interdisciplinare în știință și tehnologie și profesorul Takaaki Manaka de la Școala de Inginerie, care este o organizație comună de cercetare a LG Japan Lab și Tokyo Institute of Technology.

Rezultatele au fost publicate în Journal of Physical Chemistry B.

Se așteaptă ca cristalele lichide ferroelectrice să aibă aplicații inovatoare în dispozitivele electronice, deoarece prezintă polarizare spontană și constantă dielectrică mai mare decât cristalele lichide convenționale. În plus, datorită proprietăților lor de comutare de mare viteză și efectului de memorie, acestea au atras recent atenția ca material favorabil pentru realizarea de afișaje holografice care necesită structuri fine de pixeli.

Feroelectricitatea necesită o reducere a simetriei moleculare și a Fazele smectic-C chirale cu molecule chirale, fazele nematice cu grupele funcționale specifice și moleculele în formă îndoită cu o structură îndoită au fost dezvoltate până acum.

În special, moleculele în formă îndoită au fost dezvoltate. proprietatea că structura îndoită a moleculei scade simetria intramoleculară, iar feroelectricitatea poate fi exprimată cu o structură moleculară simplă care nu necesită introducerea unor grupe funcționale specifice.

În plus, unele îndoite. moleculele sunt cunoscute ca molecule dimerice. În timp ce majoritatea moleculelor în formă îndoită au mezogen legat de pozițiile 1,3 ale miezului aromatic, moleculele dimerice conțin o grupare alchilen flexibilă (număr de carbon impar) ca legătură mezogen.

Această grupare alchilen flexibilă permite moleculei dimerice să formeze fazele feroelectrice la temperaturi mai scăzute decât moleculele convenționale în formă îndoită, ceea ce este superior în ceea ce privește dezvoltarea aplicației.

În acest studiu, echipa de cercetare s-a concentrat pe moleculele dimerice pentru a dezvolta noi materiale cu polarizare spontană uriașă și constantă dielectrică.

Cercetătorii au dezvoltat o moleculă dimerică nouă cu un moment dipol mare pentru a obține polarizare spontană uriașă și constantă dielectrică. Mai exact, ei au sintetizat o moleculă dimerică, di-5 (3FM-C4T), care are un miez de mezogen substituit cu fluor legat prin distanțieri pentametilen ca aripi laterale.

Datorită substituției eficiente a fluorului, miezul de mezogen al Sa constatat că di-5 (3FM-C4T) are un moment dipol foarte mare de 11,2 D prin teoria funcțională a densității. Di-5 (3FM-C4T) a fost analizat structural pentru a dezvălui o faze nematice feroelectrice (NF), smectic-A feroelectrice (SmAPF) și izotrope polare (IsoP).

Faza NF constă din U- molecule în formă și are o polarizare spontană uriașă de aproximativ 8 μCcm-2, reflectând momentul de dipol mare al miezului mezogen. Pe de altă parte, faza SmAPF constă din molecule cu o formă îndoită și are o polarizare spontană mare de aproximativ 4 μCcm-2.

Polarizarea spontană a fazei SmAPF este jumătate față de faza NF, care este datorită momentului dipol înjumătățit în molecula îndoită cu un unghi îndoit de 120° într-o comparație a moleculelor în formă de U. Faza IsoP pe partea de temperatură înaltă, care este încă în analiză structurală, prezintă încă o structură polară și poate avea agregare polară a moleculelor în domenii mici.

Aceste faze polare prezintă o constantă dielectrică mai mare de 8.000, reflectând momente mari de dipol.

Prin aplicarea noilor molecule dimerice în formă îndoită, cu polarizare spontană uriașă și constantă dielectrică ca mediu, este posibilă realizarea unei varietăți de dispozitive electronice de înaltă performanță. De exemplu, aplicarea la condensatori va permite miniaturizarea și consumul redus de energie al dispozitivelor electronice.

În plus, aplicarea la elementele piezoelectrice și actuatoare electrostatice va permite acţionarea la joasă tensiune, contribuind la îmbunătățirea tehnologiei de control și procese industriale de economisire a energiei.

În aplicarea elementelor de afișare video 3D, tehnologia este promițătoare ca tehnologie de permitere a afișajelor holografice, deoarece este mai puțin probabil să provoace diafonie între pixeli dintr-o structură fină a pixelilor și permite comutare optică de mare viteză. Astfel, sunt așteptate noi aplicații în domenii precum automobile, roboți industriali, echipamente medicale și dispozitive de afișare video.

În această cercetare, cele trei faze polare ale moleculelor dimerice dezvoltate în formă îndoită sunt lichide vâscoase, iar cercetarea tehnicilor de imobilizare precum elastomerizarea și gelificarea este esențială pentru aplicațiile practice.

Odată cu dezvoltarea tehnicilor de imobilizare, se așteaptă ca domeniile de aplicare ale materialelor feroelectrice să se extindă și să se dezvolte în noi domenii de aplicare.

(Fluierul)