Presso il Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster, un gruppo di ricerca congiunto ha sviluppato un cristallo liquido dimerico ferroelettrico con polarizzazione spontanea che supera (8 μCcm -2 ) e una costante dielettrica superiore a 8.000 alle basse temperature. I risultati sono pubblicati su The Journal of Physical Chemistry B .
I cristalli liquidi ferroelettrici sono un tipo unico di cristalli liquidi che presentano un'elevata polarizzazione spontanea e costante dielettrica. Tra queste, le molecole dimeriche hanno una struttura molecolare semplice e possono formare una fase ferroelettrica a basse temperature, quindi si prevede che siano un materiale con molte applicazioni.
I ricercatori congiunti hanno sviluppato una molecola dimerica chiamata di-5 (3 FM-C4 T), che ha un nucleo mesogeno sostituito con fluoro collegato alle ali laterali da un distanziatore di pentametilene.
I ricercatori hanno confermato che questa molecola dimerica presenta cristallinità liquida a basse temperature (da 55°C a 211°C) ed è composta da tre fasi polari:nematica, smectica e isotropa, con un'enorme polarizzazione spontanea (8 μCcm -2 ) e costante dielettrica (8.000).
I ricercatori sono riusciti a sviluppare un cristallo liquido dimerico che mostra ferroelettricità a basse temperature. L'utilizzo delle molecole dimeriche sviluppate attraverso questa ricerca consentirà la creazione di tecnologie come condensatori per dispositivi elettronici più piccoli e con un consumo energetico inferiore, elementi piezoelettrici e attuatori elettrostatici che possono essere pilotati a basse tensioni e display olografici che mostrano video tridimensionali. /P>
Si prevede che questo sviluppo porterà a nuove applicazioni in campi quali quello automobilistico, dei robot industriali e delle apparecchiature mediche.
Questi risultati della ricerca sono stati ottenuti dal Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster, composto da Shigemasa Nakasugi (ricercatore congiunto con l'industria e altre organizzazioni compreso il settore privato), Adj. Prof. Hiroki Ishizaki, agg. Ass. Prof. Sung Min Kang di LG Japan Lab, Prof. Masato Sone, Adj. Prof. Junji Watanabe e Assoc. Il professor Tso-Fu Mark Chang del Laboratorio per la futura ricerca interdisciplinare di scienza e tecnologia e il professor Takaaki Manaka della School of Engineering, un'organizzazione di ricerca congiunta di LG Japan Lab e Tokyo Institute of Technology.
I risultati sono stati pubblicati nel Journal of Physical Chemistry B .
Si prevede che i cristalli liquidi ferroelettrici avranno applicazioni innovative nei dispositivi elettronici perché mostrano una polarizzazione spontanea e una costante dielettrica più elevate rispetto ai cristalli liquidi convenzionali. Inoltre, grazie alle loro proprietà di commutazione ad alta velocità e all'effetto memoria, hanno recentemente attirato l'attenzione come materiale favorevole per realizzare display olografici che richiedono strutture di pixel fini.
La ferroelettricità richiede una riduzione della simmetria molecolare e finora sono state sviluppate le fasi chirali smectic-C con molecole chirali, le fasi nematiche con i gruppi funzionali specifici e le molecole a forma piegata con una struttura piegata.
In particolare, le molecole piegate hanno la proprietà che la struttura piegata della molecola abbassa la simmetria intramolecolare, e la ferroelettricità può essere espressa con una struttura molecolare semplice che non richiede l'introduzione di gruppi funzionali specifici.
Inoltre, alcune molecole a forma piegata sono note come molecole dimeriche. Mentre la maggior parte delle molecole a forma piegata hanno un mesogeno legato alle posizioni 1,3 del nucleo aromatico, le molecole dimeriche contengono un gruppo alchilene flessibile (numero di carbonio dispari) come collegamento mesogeno.
Questo gruppo alchilene flessibile consente alla molecola dimerica di formare fasi ferroelettriche a temperature più basse rispetto alle molecole convenzionali a forma piegata, il che è superiore in termini di sviluppo dell'applicazione.
In questo studio, il gruppo di ricerca si è concentrato sulle molecole dimeriche per sviluppare nuovi materiali con polarizzazione spontanea e costante dielettrica enormi.
I ricercatori hanno sviluppato una nuova molecola dimerica con un grande momento dipolare per ottenere una polarizzazione spontanea e una costante dielettrica enormi. Nello specifico, hanno sintetizzato una molecola dimerica, di-5 (3FM-C4T), che ha un nucleo mesogeno sostituito con fluoro collegato da distanziatori di pentametilene come ali laterali.
A causa dell'efficace sostituzione del fluoro, il nucleo mesogeno di di-5 (3 FM-C4 Si è scoperto che T) ha un momento dipolare molto grande di 11,2 D secondo la teoria del funzionale della densità. Di-5 (3 FM-C4 T) è stato analizzato strutturalmente per rivelare una fase ferroelettrica nematica (NF), una fase ferroelettrica smectic-A (SmAPF) e una fase isotropa polare (IsoP).
La fase NF è costituita da molecole a forma di U e presenta un'enorme polarizzazione spontanea di circa 8 μCcm -2 , riflettendo il grande momento di dipolo del nucleo mesogeno. D'altra parte, la fase SmAPF è costituita da molecole con una forma piegata e presenta un'elevata polarizzazione spontanea di circa 4 μCcm -2 .
La polarizzazione spontanea della fase SmAPF è la metà di quella della fase NF, dovuta al momento dipolare dimezzato nella molecola piegata con un angolo piegato di 120° rispetto alle molecole a forma di U. La fase IsoP sul lato ad alta temperatura, che è ancora in fase di analisi strutturale, mostra ancora una struttura polare e può avere aggregazione polare di molecole in piccoli domini.
Queste fasi polari mostrano una costante dielettrica superiore a 8.000, riflettendo grandi momenti di dipolo.
Applicando come mezzo le molecole dimeriche a forma piegata di nuova concezione con un'enorme polarizzazione spontanea e costante dielettrica, è possibile realizzare una varietà di dispositivi elettronici ad alte prestazioni. Ad esempio, l'applicazione ai condensatori consentirà la miniaturizzazione e il basso consumo energetico dei dispositivi elettronici.
Inoltre, l'applicazione agli elementi piezoelettrici e agli attuatori elettrostatici consentirà l'azionamento a bassa tensione, contribuendo al miglioramento della tecnologia di controllo e ai processi industriali a risparmio energetico.
Nell'applicazione agli elementi di visualizzazione video 3D, la tecnologia è promettente come tecnologia abilitante per i display olografici perché è meno probabile che causi diafonia tra i pixel in una struttura di pixel fine e consente la commutazione ottica ad alta velocità. Pertanto, si prevedono nuove applicazioni in campi quali quello automobilistico, dei robot industriali, delle apparecchiature mediche e dei dispositivi di visualizzazione video.
In questa ricerca, le tre fasi polari delle molecole dimeriche a forma piegata sviluppate sono liquidi viscosi e la ricerca sulle tecniche di immobilizzazione come l'elastomerizzazione e la gelificazione è essenziale per le applicazioni pratiche.
Con lo sviluppo delle tecniche di immobilizzazione, si prevede che i campi di applicazione dei materiali ferroelettrici si espanderanno e si svilupperanno in nuovi campi di applicazione.
Ulteriori informazioni: Shigemasa Nakasugi et al, Tre fasi polari distinte, fasi isotropa, nematica e smectica-A, formate da una molecola dimerica fluoro-sostituita con grande momento dipolare, The Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI:10.1021/acs.jpcb.3c02259
Informazioni sul giornale: Giornale di chimica fisica B
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
