Bij het Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster heeft een gezamenlijk onderzoeksteam een ​​ferro-elektrisch dimeer vloeibaar kristal ontwikkeld met een spontane polarisatie die groter is dan (8 μCcm ^-2 ) en een diëlektrische constante die groter is dan 8.000 bij lage temperaturen. De bevindingen zijn gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry B .

Ferro-elektrische vloeibare kristallen zijn een uniek type vloeibaar kristal met een hoge spontane polarisatie en diëlektrische constante. Hiervan hebben dimere moleculen een eenvoudige moleculaire structuur en kunnen ze bij lage temperaturen een ferro-elektrische fase vormen. Er wordt dus verwacht dat ze een materiaal zijn met veel toepassingen.

De gezamenlijke onderzoekers ontwikkelden een dimeer molecuul genaamd di-₅ (₃ FM-C₄ T), die een fluor-gesubstitueerde mesogene kern heeft die met de zijvleugels is verbonden door een pentamethyleen-spacer.

Onderzoekers hebben bevestigd dat dit dimere molecuul vloeibare kristalliniteit vertoont bij lage temperaturen (55°C tot 211°C) en is samengesteld uit drie polaire fasen:nematische, smectische en isotrope, met een enorme spontane polarisatie (8 μCcm ^-2 ) en diëlektrische constante (8.000).

De onderzoekers zijn erin geslaagd een dimeer vloeibaar kristal te ontwikkelen dat bij lage temperaturen ferro-elektriciteit vertoont. Het gebruik van de dimere moleculen die door dit onderzoek zijn ontwikkeld, zal de creatie van technologie mogelijk maken, zoals condensatoren voor kleinere elektronische apparaten en een lager energieverbruik, piëzo-elektrische elementen en elektrostatische actuatoren die kunnen worden aangedreven bij lage spanningen, en holografische displays die driedimensionale video's weergeven.

Deze ontwikkeling zal naar verwachting leiden tot nieuwe toepassingen op gebieden als auto's, industriële robots en medische apparatuur.

Deze onderzoeksresultaten zijn behaald door het Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster, bestaande uit Shigemasa Nakasugi (gezamenlijk onderzoeker met de industrie en andere organisaties, waaronder de particuliere sector), Adj. Prof. Hiroki Ishizaki, Adj. Assoc. Prof. Sung Min Kang van LG Japan Lab, Prof. Masato Sone, Adj. Prof. Junji Watanabe en Assoc. Prof. Tso-Fu Mark Chang van het Laboratorium voor Toekomstig Interdisciplinair Onderzoek van Wetenschap en Technologie, en professor Takaaki Manaka van de School of Engineering, een gezamenlijke onderzoeksorganisatie van LG Japan Lab en Tokyo Institute of Technology.

De resultaten zijn gepubliceerd in het Journal of Physical Chemistry B .

Er wordt verwacht dat ferro-elektrische vloeibare kristallen innovatieve toepassingen in elektronische apparaten zullen hebben, omdat ze een hogere spontane polarisatie en diëlektrische constante vertonen dan conventionele vloeibare kristallen. Bovendien hebben ze vanwege hun snelle schakeleigenschappen en geheugeneffect onlangs de aandacht getrokken als een gunstig materiaal voor het realiseren van holografische displays die fijne pixelstructuren vereisen.

De ferro-elektriciteit vereist een vermindering van de moleculaire symmetrie en de chirale smectische-C-fasen met chirale moleculen, de nematische fasen met de specifieke functionele groepen en de gebogen moleculen met een gebogen structuur zijn tot nu toe ontwikkeld.

In het bijzonder hebben de gebogen moleculen de eigenschap dat de gebogen structuur van het molecuul de intramoleculaire symmetrie verlaagt, en de ferro-elektriciteit kan worden uitgedrukt met een eenvoudige moleculaire structuur die niet de introductie van specifieke functionele groepen vereist.

Bovendien staan ​​sommige gebogen moleculen bekend als dimere moleculen. Terwijl bij de meeste gebogen moleculen mesogen is gekoppeld aan de 1,3-posities van de aromatische kern, bevatten de dimere moleculen een flexibele alkyleengroep (oneven koolstofgetal) als mesogen-koppeling.

Deze flexibele alkyleengroep zorgt ervoor dat het dimere molecuul de ferro-elektrische fasen kan vormen bij lagere temperaturen dan conventionele gebogen moleculen, wat superieur is in termen van toepassingsontwikkeling.

In deze studie concentreerde het onderzoeksteam zich op de dimere moleculen om nieuwe materialen te ontwikkelen met een enorme spontane polarisatie en diëlektrische constante.

De onderzoekers ontwikkelden een nieuw dimeer molecuul met een groot dipoolmoment om een ​​enorme spontane polarisatie en diëlektrische constante te bereiken. Concreet synthetiseerden ze een dimeer molecuul, di-5 (3FM-C4T), dat een fluor-gesubstitueerde mesogene kern heeft, verbonden door pentamethyleenafstandhouders als zijvleugels.

Door effectieve fluorsubstitutie wordt de mesogene kern van di-₅ (₃ FM-C₄ T) bleek volgens de dichtheidsfunctionaaltheorie een zeer groot dipoolmoment van 11,2 D te hebben. Di-₅ (₃ FM-C₄ T) werd structureel geanalyseerd om een ​​ferro-elektrische nematische (NF), ferro-elektrische smectische-A (SmAPF) en polaire isotrope (IsoP) fase te onthullen.

De NF-fase bestaat uit U-vormige moleculen en heeft een enorme spontane polarisatie van ongeveer 8 μCcm ^-2 , wat het grote dipoolmoment van de mesogene kern weerspiegelt. Aan de andere kant bestaat de SmAPF-fase uit moleculen met een gebogen vorm en een hoge spontane polarisatie van ongeveer 4 μCcm ^-2 .

De spontane polarisatie van de SmAPF-fase is de helft van die van de NF-fase, wat te wijten is aan het gehalveerde dipoolmoment in het gebogen molecuul met een gebogen hoek van 120 ° in een vergelijking van de U-vormige moleculen. De IsoP-fase aan de hoge-temperatuurzijde, die nog steeds onder structurele analyse staat, vertoont nog steeds een polaire structuur en kan een polaire aggregatie van moleculen in kleine domeinen hebben.

Deze polaire fasen vertonen een diëlektrische constante van meer dan 8.000, wat grote dipoolmomenten weerspiegelt.

Door de nieuw ontwikkelde gebogen dimere moleculen met enorme spontane polarisatie en diëlektrische constante als medium toe te passen, is het mogelijk een verscheidenheid aan hoogwaardige elektronische apparaten te realiseren. De toepassing op condensatoren zal bijvoorbeeld miniaturisatie en een laag energieverbruik van elektronische apparaten mogelijk maken.

Bovendien zal de toepassing op piëzo-elektrische elementen en elektrostatische actuatoren laagspanningsaandrijving mogelijk maken, wat bijdraagt ​​aan verbeterde besturingstechnologie en energiebesparende industriële processen.

Bij de toepassing op 3D-videoweergave-elementen is de technologie veelbelovend als een faciliterende technologie voor holografische weergaven, omdat het minder waarschijnlijk is dat er overspraak ontstaat tussen pixels in een fijne pixelstructuur en hoge snelheid optisch schakelen mogelijk maakt. Er worden dus nieuwe toepassingen verwacht op gebieden als auto's, industriële robots, medische apparatuur en videoweergaveapparatuur.

In dit onderzoek zijn de drie polaire fasen van de ontwikkelde gebogen dimere moleculen viskeuze vloeistoffen, en onderzoek naar immobilisatietechnieken zoals elastomerisatie en gelatie is essentieel voor praktische toepassingen.

Met de ontwikkeling van immobilisatietechnieken wordt verwacht dat de toepassingsgebieden van ferro-elektrische materialen zich zullen uitbreiden en zich zullen ontwikkelen tot nieuwe toepassingsgebieden.

Meer informatie: Shigemasa Nakasugi et al, drie verschillende polaire fasen, isotrope, nematische en smectische-A-fasen, gevormd uit een fluorgesubstitueerd dimeer molecuul met een groot dipoolmoment, The Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI:10.1021/acs.jpcb.3c02259

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry B

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology