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通过分子设计调节液晶相中的螺旋纳米结构

由荒川幸树(丰桥工业大学,)副教授带领的一组研究人员成功开发了具有相反方向的酯键的含硫液晶(LC)二聚体分子,该分子呈螺旋状液晶相。在包括室温在内的较宽的温度范围内进行扭曲弯曲的向列相(N T B)相。与先进光源研究机构(劳伦斯伯克利国家实验室)的一个团队合作发现,分子结构中的酯键方向极大地影响了N T中螺旋纳米结构的节距长度B相。可以预期,这种分子设计可用于调整LC材料的物理性能,从而有助于LC激光,光取向和显示技术等新的LC技术。

N T B是一种新近鉴定的液相液相色谱,具有螺旋纳米结构,螺距范围从几纳米到几十纳米不等,成为液相色谱科学界的热门话题。最近,探索了各种方法来将N T B材料应用于波长可调LC激光和光对准技术。就实用性而言,必须通过在较宽的温度范围内和室温下形成LC相来设计LC材料。但是,在包括室温在内的较宽温度范围内表现出N T B相的分子仍然极为罕见。这阻碍了对各种特性的深入评估和新应用程序的开发。

丰桥工业大学的助理教授荒川勇树及其团队一直对开发新型的含硫LC材料感兴趣,特别是基于含硫的硫醚(RSR)键的高双折射材料和扭曲弯曲向列型LC的开发,它是温泉的组成部分,是为数不多的剩余资源之一。与基于常规原子的其他键(例如亚甲基(碳)和醚(氧))相比,硫或硫醚键具有高极化率,并有望成为改善物理性质(如折射率和双折射)的有用功能部分。

在此之前,荒川由纪教授及其团队已经成功开发出显示N T B相的基于硫醚的弯曲分子。在这项研究中,我们尝试通过向硫醚基弯曲二聚体分子引入相反方向的酯键(即-C = OO-和-O = CO-)来设计新的LC二聚体,并阐明酯键方向对N T B相行为。该小组成功地开发了在包括室温在内的宽温度范围内均显示出N T B相的新分子。

此外,研究小组观察到一种现象,其中具有O = CO酯的分子的螺旋间距(6-9 nm)大约是具有C = OO酯的分子的螺旋间距(11-24 nm)(图1)。这是因为C = OO-酯二聚体比O = CO-酯二聚体具有更多的弯曲分子几何形状,导致前者的螺旋结构的分子旋进度高于后者。微调分子设计(即酯键方向)可以操纵螺旋纳米结构,这对于光学应用而言尤其重要。

据助理荒川教授,“表现出螺旋ÑLC分子? B相在较宽的温度范围内,包括房间温度,保持罕见的。没有研究清楚地表明了分子设计和所得到的螺旋结构,即,之间的结构-性能关系如何通过分子设计来控制螺旋纳米结构。我们相信我们的研究提供了洞察力。”

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