En el grupo de investigación colaborativa de soluciones de vida y materiales LG de Tokyo Tech, un equipo de investigación conjunto ha desarrollado un cristal líquido dimérico ferroeléctrico con polarización espontánea que excede (8 μCcm -2 ) y una constante dieléctrica que supera los 8.000 a bajas temperaturas. Los hallazgos se publican en The Journal of Physical Chemistry B. .
Los cristales líquidos ferroeléctricos son un tipo único de cristal líquido que tiene una alta polarización espontánea y constante dieléctrica. Entre ellas, las moléculas diméricas tienen una estructura molecular simple y pueden formar una fase ferroeléctrica a bajas temperaturas, por lo que se espera que sean un material con muchas aplicaciones.
Los investigadores conjuntos desarrollaron una molécula dimérica llamada di-5 (3 FM-C4 T), que tiene un núcleo mesógeno sustituido con flúor unido a las alas laterales mediante un espaciador de pentametileno.
Los investigadores confirmaron que esta molécula dimérica presenta cristalinidad líquida a bajas temperaturas (55°C a 211°C), y está compuesta por tres fases polares:nemática, esméctica e isotrópica, con una enorme polarización espontánea (8 μCcm -2 ) y constante dieléctrica (8.000).
Los investigadores lograron desarrollar un cristal líquido dimérico que exhibe ferroelectricidad a bajas temperaturas. El uso de las moléculas diméricas desarrolladas a través de esta investigación permitirá la creación de tecnología como condensadores para dispositivos electrónicos más pequeños y de menor consumo de energía, elementos piezoeléctricos y actuadores electrostáticos que pueden funcionar a bajos voltajes y pantallas holográficas que muestran videos tridimensionales. /P>
Se espera que este desarrollo conduzca a nuevas aplicaciones en campos como automóviles, robots industriales y equipos médicos.
Estos resultados de investigación fueron logrados por el Clúster de Investigación Colaborativa de Soluciones de Vida y Materiales LG de Tokyo Tech, compuesto por Shigemasa Nakasugi (investigador conjunto con la industria y otras organizaciones, incluido el sector privado), Adj. Prof. Hiroki Ishizaki, Adj. Asociación. Prof. Sung Min Kang del LG Japan Lab, Prof. Masato Sone, Adj. Prof. Junji Watanabe y Asociado. Prof. Tso-Fu Mark Chang del Laboratorio para la futura investigación interdisciplinaria de ciencia y tecnología, y Profesor Takaaki Manaka de la Escuela de Ingeniería, que es una organización de investigación conjunta del LG Japan Lab y el Instituto de Tecnología de Tokio.
Los resultados fueron publicados en el Journal of Physical Chemistry B .
Se espera que los cristales líquidos ferroeléctricos tengan aplicaciones innovadoras en dispositivos electrónicos porque exhiben una polarización espontánea y una constante dieléctrica más altas que los cristales líquidos convencionales. Además, debido a sus propiedades de conmutación de alta velocidad y su efecto de memoria, recientemente han atraído la atención como un material favorable para realizar pantallas holográficas que requieren estructuras de píxeles finas.
La ferroelectricidad requiere una reducción de la simetría molecular y hasta ahora se han desarrollado fases quirales esmécticas-C con moléculas quirales, fases nemáticas con grupos funcionales específicos y moléculas con forma curvada y estructura curvada.
En particular, las moléculas con forma curvada tienen la propiedad de que la estructura curvada de la molécula reduce la simetría intramolecular y la ferroelectricidad se puede expresar con una estructura molecular simple que no requiere la introducción de grupos funcionales específicos.
Además, algunas moléculas con forma curvada se conocen como moléculas diméricas. Mientras que la mayoría de las moléculas con forma curvada tienen un mesógeno unido a las posiciones 1,3 del núcleo aromático, las moléculas diméricas contienen un grupo alquileno flexible (número de carbono impar) como enlace mesógeno.
Este grupo alquileno flexible permite que la molécula dimérica forme fases ferroeléctricas a temperaturas más bajas que las moléculas convencionales con forma curvada, lo cual es superior en términos de desarrollo de aplicaciones.
En este estudio, el equipo de investigación se centró en las moléculas diméricas para desarrollar nuevos materiales con una polarización espontánea y una constante dieléctrica enormes.
Los investigadores desarrollaron una nueva molécula dimérica con un gran momento dipolar para lograr una polarización espontánea y una constante dieléctrica enormes. En concreto, sintetizaron una molécula dimérica, di-5 (3FM-C4T), que tiene un núcleo mesógeno sustituido con flúor unido por espaciadores de pentametileno como alas laterales.
Debido a la eficaz sustitución del flúor, el núcleo mesógeno del di-5 (3 FM-C4 T) tenía un momento dipolar muy grande de 11,2 D según la teoría del funcional de densidad. Di-5 (3 FM-C4 T) se analizó estructuralmente para revelar fases ferroeléctrica nemática (NF), ferroeléctrica esméctica-A (SmAPF) e isotrópica polar (IsoP).
La fase NF consta de moléculas en forma de U y tiene una enorme polarización espontánea de aproximadamente 8 μCcm -2 , reflejando el gran momento dipolar del núcleo mesógeno. Por otro lado, la fase SmAPF consta de moléculas con forma curvada y tiene una alta polarización espontánea de aproximadamente 4 μCcm -2 .
La polarización espontánea de la fase SmAPF es la mitad que la de la fase NF, lo que se debe al momento dipolar reducido a la mitad en la molécula doblada con un ángulo de 120° en comparación con las moléculas en forma de U. La fase IsoP en el lado de alta temperatura, que aún está bajo análisis estructural, todavía muestra una estructura polar y puede tener agregación polar de moléculas en dominios pequeños.
Estas fases polares exhiben una constante dieléctrica de más de 8000, lo que refleja grandes momentos dipolares.
Al aplicar como medio las moléculas diméricas de forma curvada recientemente desarrolladas con una enorme polarización espontánea y constante dieléctrica, es posible realizar una variedad de dispositivos electrónicos de alto rendimiento. Por ejemplo, la aplicación a los condensadores permitirá la miniaturización y el bajo consumo de energía de los dispositivos electrónicos.
Además, la aplicación a los elementos piezoeléctricos y actuadores electrostáticos permitirá el accionamiento de bajo voltaje, lo que contribuirá a mejorar la tecnología de control y a los procesos industriales que ahorran energía.
En la aplicación a elementos de visualización de vídeo 3D, la tecnología es prometedora como tecnología habilitante para pantallas holográficas porque es menos probable que cause interferencias entre píxeles en una estructura de píxeles fina y permite la conmutación óptica de alta velocidad. Por tanto, se esperan nuevas aplicaciones en campos como los automóviles, los robots industriales, los equipos médicos y los dispositivos de visualización de vídeo.
En esta investigación, las tres fases polares de las moléculas diméricas de forma curvada desarrolladas son líquidos viscosos, y la investigación sobre técnicas de inmovilización como la elastomerización y la gelificación es esencial para aplicaciones prácticas.
Con el desarrollo de técnicas de inmovilización, se espera que los campos de aplicación de los materiales ferroeléctricos se expandan y se desarrollen hacia nuevos campos de aplicación.
Más información: Shigemasa Nakasugi et al, Tres fases polares distintas, isotrópica, nemática y esméctica-A, formadas a partir de una molécula dimérica sustituida con flúor con un momento dipolar grande, The Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI:10.1021/acs.jpcb.3c02259
Información de la revista: Revista de Química Física B
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
