Im Tokyo Tech LG Material & Life Solution Collaborative Research Cluster hat ein gemeinsames Forschungsteam einen ferroelektrischen dimeren Flüssigkristall mit einer spontanen Polarisation von mehr als (8 μCcm-2) und einer Dielektrizitätskonstante von mehr als 8.000 bei niedrigen Temperaturen entwickelt. Die Ergebnisse sind veröffentlicht In Das Journal of Physical Chemistry B.
Ferroelektrische Flüssigkristalle sind eine einzigartige Art von Flüssigkristallen mit hoher spontaner Polarisation und Dielektrizitätskonstante. Unter diesen haben dimere Moleküle eine einfache Molekülstruktur und können bei niedrigen Temperaturen eine ferroelektrische Phase bilden, sodass man davon ausgeht, dass es sich bei ihnen um ein Material mit vielen Anwendungsmöglichkeiten handelt.
Die gemeinsamen Forscher entwickelten ein dimeres Molekül namens di-5 (3FM-C4T), das über einen fluorsubstituierten Mesogenkern verfügt, der über einen Pentamethylen-Abstandhalter mit Seitenflügeln verbunden ist.
Forscher bestätigten, dass dieses dimere Molekül bei niedrigen Temperaturen (55 °C bis 211 °C) Flüssigkristallinität aufweist und aus drei polaren Phasen besteht: nematisch, smektisch und isotrop, mit einer enormen spontanen Polarisation (8 μCcm-2) und einem Dielektrikum konstant (8.000).
Den Forschern gelang es, einen dimeren Flüssigkristall zu entwickeln, der bei niedrigen Temperaturen Ferroelektrizität zeigt. Die Verwendung der im Rahmen dieser Forschung entwickelten dimeren Moleküle wird die Entwicklung von Technologien wie Kondensatoren für kleinere elektronische Geräte und geringerem Stromverbrauch, piezoelektrischen Elementen und elektrostatischen Aktoren, die mit niedrigen Spannungen betrieben werden können, sowie holografischen Displays ermöglichen, die dreidimensionale Videos zeigen.
Diese Entwicklung wird voraussichtlich zu neuen Anwendungen in Bereichen wie Automobilen, Industrierobotern und medizinischen Geräten führen.
Diese Forschungsergebnisse wurden vom Tokyo Tech LG Material & Life Solution Collaborative Research Cluster erzielt, bestehend aus Shigemasa Nakasugi (gemeinsamer Forscher mit der Industrie und anderen Organisationen einschließlich des Privatsektors), Adj. Prof. Hiroki Ishizaki, Adj. Assoc. Prof. Sung Min Kang vom LG Japan Lab, Prof. Masato Sone, Adj. Prof. Junji Watanabe und Assoc. Prof. Tso-Fu Mark Chang vom Laboratory for Future Interdisciplinary Research of Science and Technology und Professor Takaaki Manaka von der School of Engineering, einer gemeinsamen Forschungsorganisation des LG Japan Lab und des Tokyo Institute of Technology.
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Die Zeitschrift für Physikalische Chemie B.
Es wird erwartet, dass ferroelektrische Flüssigkristalle innovative Anwendungen in elektronischen Geräten finden, da sie eine höhere spontane Polarisation und Dielektrizitätskonstante aufweisen als herkömmliche Flüssigkristalle. Darüber hinaus haben sie aufgrund ihrer Hochgeschwindigkeitsschalteigenschaften und ihres Memory-Effekts in letzter Zeit als günstiges Material für die Realisierung holographischer Displays, die feine Pixelstrukturen erfordern, Aufmerksamkeit erregt.
Die Ferroelektrizität erfordert eine Reduzierung der Molekülsymmetrie und bisher wurden die chiralen smektischen C-Phasen mit chiralen Molekülen, die nematischen Phasen mit den spezifischen funktionellen Gruppen und die gebogenen Moleküle mit gebogener Struktur entwickelt.
Insbesondere die gebogenen Moleküle haben die Eigenschaft, dass die gebogene Struktur des Moleküls die intramolekulare Symmetrie verringert und die Ferroelektrizität durch eine einfache Molekülstruktur ausgedrückt werden kann, die nicht die Einführung spezifischer funktioneller Gruppen erfordert.
Darüber hinaus werden einige gebogene Moleküle als dimere Moleküle bezeichnet. Während bei den meisten gebogenen Molekülen das Mesogen an die 1,3-Positionen des aromatischen Kerns gebunden ist, enthalten die dimeren Moleküle eine flexible Alkylengruppe (ungerade Kohlenstoffzahl) als Mesogenbindung.
Diese flexible Alkylengruppe ermöglicht es dem dimeren Molekül, die ferroelektrischen Phasen bei niedrigeren Temperaturen als herkömmliche gebogene Moleküle zu bilden, was im Hinblick auf die Anwendungsentwicklung überlegen ist.
In dieser Studie konzentrierte sich das Forschungsteam auf die dimeren Moleküle, um neue Materialien mit enormer spontaner Polarisation und Dielektrizitätskonstante zu entwickeln.
Die Forscher entwickelten ein neuartiges dimeres Molekül mit einem großen Dipolmoment, um eine enorme spontane Polarisation und Dielektrizitätskonstante zu erreichen. Konkret synthetisierten sie ein dimeres Molekül, di-5 (3FM-C4T), das über einen fluorsubstituierten Mesogenkern verfügt, der durch Pentamethylen-Abstandshalter als Seitenflügel verbunden ist.
Aufgrund der effektiven Fluorsubstitution wurde anhand der Dichtefunktionaltheorie festgestellt, dass der Mesogenkern von Di-5 (3FM-C4T) ein sehr großes Dipolmoment von 11,2 D aufweist. Di-5 (3FM-C4T) wurde strukturell analysiert und ergab eine ferroelektrische nematische (NF), eine ferroelektrische smektische A-Phase (SmAPF) und eine polar isotrope Phase (IsoP).
Die NF-Phase besteht aus U-förmigen Molekülen und weist eine enorme spontane Polarisation von etwa 8 μCcm-2 auf, was das große Dipolmoment des Mesogenkerns widerspiegelt. Andererseits besteht die SmAPF-Phase aus Molekülen mit gebogener Form und weist eine hohe spontane Polarisation von etwa 4 μCcm-2 auf.
Die spontane Polarisation der SmAPF-Phase ist halb so groß wie die der NF-Phase, was auf das halbierte Dipolmoment im gebogenen Molekül mit einem Biegewinkel von 120° im Vergleich zu den U-förmigen Molekülen zurückzuführen ist. Die IsoP-Phase auf der Hochtemperaturseite, die sich noch in der Strukturanalyse befindet, weist immer noch eine polare Struktur auf und kann eine polare Aggregation von Molekülen in kleinen Domänen aufweisen.
Diese polaren Phasen weisen eine Dielektrizitätskonstante von mehr als 8.000 auf, was große Dipolmomente widerspiegelt.
Durch die Verwendung der neu entwickelten gebogenen dimeren Moleküle mit enormer spontaner Polarisation und Dielektrizitätskonstante als Medium ist es möglich, eine Vielzahl leistungsstarker elektronischer Geräte zu realisieren. Beispielsweise wird die Anwendung auf Kondensatoren eine Miniaturisierung und einen geringen Stromverbrauch elektronischer Geräte ermöglichen.
Darüber hinaus wird die Anwendung auf piezoelektrische Elemente und elektrostatische Aktoren einen Niederspannungsantrieb ermöglichen und so zu einer verbesserten Steuerungstechnik und energiesparenden Industrieprozessen beitragen.
Bei der Anwendung auf 3D-Videoanzeigeelemente ist die Technologie als Basistechnologie für holografische Displays vielversprechend, da es weniger wahrscheinlich ist, dass es zu Übersprechen zwischen Pixeln in einer feinen Pixelstruktur kommt, und eine schnelle optische Umschaltung ermöglicht. Daher werden neue Anwendungen in Bereichen wie Automobilen, Industrierobotern, medizinischen Geräten und Videoanzeigegeräten erwartet.
In dieser Forschung handelt es sich bei den drei polaren Phasen der entwickelten gebogenen dimeren Moleküle um viskose Flüssigkeiten, und die Erforschung von Immobilisierungstechniken wie Elastomerisierung und Gelierung ist für praktische Anwendungen von wesentlicher Bedeutung.
Mit der Entwicklung von Immobilisierungstechniken wird erwartet, dass sich die Anwendungsfelder ferroelektrischer Materialien erweitern und sich zu neuen Anwendungsfeldern entwickeln.
Mehr Informationen:
Shigemasa Nakasugi et al., Drei verschiedene polare Phasen, isotrope, nematische und smektische A-Phasen, gebildet aus einem fluorsubstituierten dimeren Molekül mit großem Dipolmoment, Das Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c02259