Een team van onderzoekers onder leiding van universitair docent Yuki Arakawa, Toyohashi-universiteit voor technologie, heeft met succes π-geconjugeerde staafachtige moleculen vloeibaar gekristalliseerd met alkylthiogroepen die zwavel bevatten, en ontwikkelde moleculen met hoge dubbele breking die nematisch vloeibaar kristal vertonen met een hoge vloeibaarheid in temperatuurbereiken, waaronder kamertemperatuur. Dit moleculaire ontwerp zal naar verwachting een nieuw vloeibaar-kristalmateriaal bieden dat bijdraagt ​​aan de hoge beeldresolutie van vloeibaar-kristaldisplays.

Vloeibare kristalmaterialen met hoge dubbele breking en diëlektrische constante hebben bijgedragen aan het verlagen van de stuurspanning en het verbeteren van de reactiesnelheid van LCD-schermen (liquid crystal). Onlangs, er zijn verschillende benaderingen gevolgd om LC-materialen met hoge dubbele breking toe te passen op breedband circulair gepolariseerde lichtreflecterende films voor helderheidsverhogende films, of naar cholestric LC-lasers voor continue oscillatie.

Op het gebied van praktisch LC-materialen moeten worden ontwikkeld door ofwel LC-fasen bij kamertemperatuur te vormen of de oriëntatietoestand van LC te fixeren. Echter, het verbeteren van dubbele breking en diëlektrische constante vereist zowel een anisotrope moleculaire structuur als elektronenrijkdom, waardoor een stijging van de faseovergangstemperatuur (vooral smeltpunt) onvermijdelijk is vanwege grote intermoleculaire krachten. Kortom, het is moeilijk om bij kamertemperatuur een vloeibaar kristallijne toestand te vormen.

Universitair docent Yuki Arakawa en zijn team waren geïnteresseerd in alkylthiogroepen (SCmH2m+1) die zwavel, een onderdeel van warmwaterbronnen en een van de weinige overtollige hulpbronnen die Japan heeft. Hoewel alkylthiogroepen een hoge polariseerbaarheid hebben en naar verwachting een effectieve substitutiegroep zijn voor verbetering van de dubbele breking, slechts enkele succesvolle gevallen van staafachtige moleculen met alkylthiogroepen die vloeibare kristallen vormen, zijn gerapporteerd vanwege hun moeilijkheid om te kristalliseren.

Assistent-professor Yuki Arakawa en zijn team introduceerden aanzienlijk lange alkylketens met vijf of meer koolstofatomen aan één uiteinde van een difenylacetyleenstructuur met alkylthiogroepen om te onthullen dat vloeibare kristalliniteit wordt vertoond tijdens het koelproces. Dit wordt geacht te wijten te zijn aan het feit dat van de moleculen die antiparallel zijn uitgelijnd, lange alkylgroepen remmen de moleculaire kristallijne pakking en zorgen ervoor dat de moleculen kunnen roteren en transleren terwijl ze hun oriëntatie behouden, wat uiteindelijk leidt tot de vorming van een vloeibare kristalfase. Verder, het team observeerde een fenomeen waarbij het smeltpunt daalde vanwege de grote buiging en lage elektronendonerende eigenschappen van de alkylthiogroepen, en slaagde erin een molecuul te ontwikkelen dat vloeibare kristalliniteit vertoont in temperatuurbereiken, waaronder kamertemperatuur. Het veranderen van de koolstofgetallen in alkylthiogroepen na introductie van lange alkylketens maakt de vorming mogelijk van zowel een sterk geordende smectische fase met een laagstructuur met een hoge viscositeit en een nematische (N) fase met een lage viscositeit, wat vooral belangrijk is voor optische toepassingen. Vergelijking met zuurstofanalogen bevestigde een significante verbetering van optische eigenschappen.

"Er waren slechts een paar rapporten over staafachtige structuurmoleculen met alkylthiogroepen die vloeibaar kristallijne fasen vertonen, en geen enkele studie onthulde de kenmerken van deze moleculen, inclusief de reden waarom ze de neiging hebben om geen vloeibare kristallijne fasen te vormen. We streven er nu naar om de kenmerken van elke fase ten volle te benutten om verschillende optische en elektronische fysieke eigenschappen te verkennen, waaronder niet alleen optische eigenschappen, maar ook halfgeleidereigenschappen, ', zegt assistent-professor Arakawa.