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华南理工大学:极性棒状液晶分子的遍及相行为

发布时间:2022-09-17 01:05:53 来源:华体会直播

  向列液晶是最简略的液晶态,能够进一步分单轴向列相(Nu)、手性向列相(N*)、改变曲折向列相(NTB)等。现在已有很多的向列相液晶分子具有低粘度、超卓的相行为和较高的可靠性等特色,向列相的各向异性和对外电场的呼应特性能够使其广泛应用于显现技能等范畴。传统向列相的典型组成分子是极性的,但在微观范畴均匀全体取向对错极性的,因而能够看作是头尾等价的。2017年来具有微观极化取向的铁电向列相液晶被报导,除了传统向列相的特征外,其在软物质材猜中超高的介电常数、超强的非线性光呼应信号、对电场的高呼应灵敏度和较好的流动性,为研讨工作者们打开了研讨极化拓扑和铁电液晶光电特性的新大门。但是迄今为止文献中报导的NF液晶资料的品种很少,且出现不同的铁电相变途径,其相关性要素并未得到提醒。怎么经过一种合理准则来规划NF液晶资料并准确操控其相变途径关于铁电液晶的功用开发具有重要意义。

  前沿软物质学院黄明俊、Satoshi Aya(谢晓晨)近期在Giant发文,初次完好提醒了具有较大偶极矩棒状液晶分子的遍及相行为。规划合成了70个以上具有不同化学结构的极性棒状分子,出现Iso-N-NF、Iso-NF、Iso-N和Iso-Cry四品种型的相行为(Iso-各向同性;N-非极性向列相;NF-铁电向列相;Cry-结晶)。结合150种以上分子的数据进行机器学习,团队提醒了分子偶极密度是铁电偶极相互作用的要害参数,并决议了铁电向列相(ferroelectric nematic, NF)的构成;而分子长宽比能够表征棒状液晶的形状各向异性,操控着非极性向列相N的构成。两者之间的相互竞争能够操控铁电向列相的相变途径,即Iso-N-NF或Iso-NF。本文的系统研讨为铁电相列型液晶的分子规划和物理性质的调控供给了重要的依据。

  液晶分子一般出现细长的棒状形状,因而具有满足的形状各项异性来构成向列相的取向有序(图1b)。当分子形状各项异性不行时,分子简直很难构成向列相液晶(图1a)。除了这种形状效应,电偶极化效应则是一种共同的矢量场,经过铁电场效应分子间偶极相互作用促进向列相的取向有序(图1c),即构成NF相。本文以为分子形状各项异性和分子偶极密度之间的相互作用操控着不同液晶相的构成。具有高形状各向异性的液晶分子更易构成一般N相,而大的偶极密度则驱动NF相的构成。本文规划合成了70多种结构不同的棒状液晶分子,其间46种均能体现出NF相(图2)。这些分子依据相变类型可分为Iso-N-NF、Iso-NF、Iso-N和Iso-crystal四种(图1d)。

  进一步结合课题组之前文章分子库,此刻分子总数现已到达150多个。一切分子的相变类型都归于Ⅰ-Ⅳ型。经过DFT提取分子基本特征,包含分子三维空间巨细、偶极矩巨细和矢量方向、能量带隙、分子量、形状各向异性和偶极密度等25种不同分子参数。随后经过将随机森林回归模型结合修改后的SHAP剖析办法进行机器学习,使其能够定量、可视化体现不同分子参数品种对相变行为影响的程度。如图3a-c所示,作者将机器学习结合分子相变类型分为三个类别,顺次调查液晶相、铁电向列相以及铁电向列相构成途径的要害影响要素,经过核算分子参数的办法来获取用于祸患哪种改变方法优选的SHAP值。依据SHAP值的巨细及其对应某一参数的符号,能够定量的祸患某一参数对构成不同相行为的正、负奉献程度。机器学习成果表明液晶分子的偶极密度和长径比对完成向列相都至关重要(图3 d,g)。在各种形式的偶极相关参数中以μ2/m表明的偶极密度体现出最高的正SHAP值,因而具有最高的相关性。图3b给出了安稳NF状况的分子结构参数。尽管偶极密度是安稳NF相所有必要的(当μ2/m0.35 D2mol/g,NF相存在,图3e),但长径比和偶极夹角影响变小,与NF相的构成简直没有关系。关于能以不同途径构成NF相的分子结构参数SHAP值的成果显现,满足大的长径比(大于阈值a3/2/m1/25 Å3/2 mol1/2 g-1/2)液晶分子将会挑选Iso-N-NF途径进入铁电相。一旦长径比低于阈值,但偶极密度满足大时,N相消失,液晶将直接由各向同性液体以成核方法进入NF相。

  为了独立研讨分子形状各向异性对分子相行为的影响,作者将1系列分子头部烷基链长(直链碳数目)从1调至5(n = 1-5)。在含有短烷基团(n = 1,2)的1a和1b中,调查到了Ⅱ型相变行为。分子由各向同性直接以成核的方法进入NF相(图4a),这些NF液滴成长兼并,终究掩盖整个视界构成大理石样图画(图4c),SHG和介电测验(图4j,k,i)成果均证明了其铁电性。当碳数目添加1个的样品1c,则多出了N相,变成了Ⅰ型相变。在NF相调查到特征的带状结构。进一步添加碳数目(n=5)的1d分子,在整个温度范围内没有调查到NF相,只要N相,对应于Ⅲ型相变。头部烷基链的伸长添加了棒状分子的形状各项异性,然后添加了高温下非极性N相的构成倾向。另一方面,碳链的增加也意味着偶极密度减小,较弱的偶极相互作用(1d分子)不能诱导出NF相。

  本文榜首作者是华南理工大学2019级博士生李金星,通讯作者是华南理工大学教授黄明俊和Satoshi Aya。

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