Au sein du pôle de recherche collaborative Tokyo Tech LG Material &Life Solution, une équipe de recherche commune a développé un cristal liquide dimère ferroélectrique avec une polarisation spontanée qui dépasse (8 μCcm -2 ) et une constante diélectrique supérieure à 8 000 à basse température. Les résultats sont publiés dans The Journal of Physical Chemistry B .
Les cristaux liquides ferroélectriques sont un type unique de cristaux liquides qui ont une polarisation spontanée et une constante diélectrique élevées. Parmi celles-ci, les molécules dimères ont une structure moléculaire simple et peuvent former une phase ferroélectrique à basse température, elles devraient donc constituer un matériau avec de nombreuses applications.
Les chercheurs conjoints ont développé une molécule dimère appelée di-5 (3 FM-C4 T), qui possède un noyau mésogène substitué par du fluor lié aux ailes latérales par un espaceur en pentaméthylène.
Les chercheurs ont confirmé que cette molécule dimère présente une cristallinité liquide à basse température (55°C à 211°C) et est composée de trois phases polaires :nématique, smectique et isotrope, avec une énorme polarisation spontanée (8 μCcm -2 ) et constante diélectrique (8 000).
Les chercheurs ont réussi à développer un cristal liquide dimère présentant de la ferroélectricité à basse température. L'utilisation des molécules dimères développées dans le cadre de cette recherche permettra la création de technologies telles que des condensateurs pour des appareils électroniques plus petits et à faible consommation d'énergie, des éléments piézoélectriques et des actionneurs électrostatiques pouvant être pilotés à basse tension, ainsi que des écrans holographiques affichant des vidéos en trois dimensions. /P>
Ce développement devrait conduire à de nouvelles applications dans des domaines tels que l'automobile, les robots industriels et les équipements médicaux.
Ces résultats de recherche ont été obtenus par le pôle de recherche collaborative Tokyo Tech LG Material &Life Solution, composé de Shigemasa Nakasugi (chercheur conjoint avec l'industrie et d'autres organisations, y compris le secteur privé), Adj. Professeur Hiroki Ishizaki, Adj. Assoc. Professeur Sung Min Kang du LG Japan Lab, Professeur Masato Sone, Adj. Professeur Junji Watanabe et Assoc. Le professeur Tso-Fu Mark Chang du Laboratoire pour la recherche interdisciplinaire future en science et technologie, et le professeur Takaaki Manaka de la School of Engineering, qui est une organisation de recherche conjointe du LG Japan Lab et de l'Institut de technologie de Tokyo.
Les résultats ont été publiés dans le Journal of Physical Chemistry B .
Les cristaux liquides ferroélectriques devraient avoir des applications innovantes dans les appareils électroniques car ils présentent une polarisation spontanée et une constante diélectrique plus élevées que les cristaux liquides conventionnels. De plus, en raison de leurs propriétés de commutation à grande vitesse et de leur effet mémoire, ils ont récemment attiré l'attention en tant que matériau favorable pour réaliser des écrans holographiques nécessitant des structures de pixels fines.
La ferroélectricité nécessite une réduction de la symétrie moléculaire et les phases chirales smectiques-C avec des molécules chirales, les phases nématiques avec des groupes fonctionnels spécifiques et les molécules courbées avec une structure courbée ont été développées jusqu'à présent.
En particulier, les molécules de forme courbée ont la propriété que la structure courbée de la molécule diminue la symétrie intramoléculaire, et la ferroélectricité peut être exprimée avec une structure moléculaire simple qui ne nécessite pas l'introduction de groupes fonctionnels spécifiques.
De plus, certaines molécules de forme courbée sont appelées molécules dimères. Alors que la plupart des molécules de forme courbée ont un mésogène lié aux positions 1,3 du noyau aromatique, les molécules dimères contiennent un groupe alkylène flexible (nombre de carbone impair) comme liaison mésogène.
Ce groupe alkylène flexible permet à la molécule dimère de former les phases ferroélectriques à des températures plus basses que les molécules classiques de forme courbée, ce qui est supérieur en termes de développement d'applications.
Dans cette étude, l'équipe de recherche s'est concentrée sur les molécules dimères pour développer de nouveaux matériaux dotés d'une énorme polarisation spontanée et d'une constante diélectrique.
Les chercheurs ont développé une nouvelle molécule dimère avec un moment dipolaire important pour obtenir une polarisation spontanée et une constante diélectrique énormes. Plus précisément, ils ont synthétisé une molécule dimère, di-5 (3FM-C4T), qui possède un noyau mésogène substitué par du fluor lié par des espaceurs pentaméthylène comme ailes latérales.
En raison de la substitution efficace du fluor, le noyau mésogène du di-5 (3 FM-C4 T) s'est avéré avoir un très grand moment dipolaire de 11,2 D par la théorie fonctionnelle de la densité. Di-5 (3 FM-C4 T) a été analysé structurellement pour révéler des phases ferroélectriques nématiques (NF), ferroélectriques smectiques-A (SmAPF) et polaires isotropes (IsoP).
La phase NF est constituée de molécules en forme de U et présente une énorme polarisation spontanée d'environ 8 μCcm -2 , reflétant le grand moment dipolaire du noyau mésogène. D'autre part, la phase SmAPF est constituée de molécules de forme courbée et présente une polarisation spontanée élevée d'environ 4 μCcm -2 .
La polarisation spontanée de la phase SmAPF est la moitié de celle de la phase NF, ce qui est dû au moment dipolaire réduit de moitié dans la molécule courbée avec un angle courbé de 120 ° dans une comparaison avec les molécules en forme de U. La phase IsoP du côté haute température, qui est toujours en cours d'analyse structurelle, présente toujours une structure polaire et peut présenter une agrégation polaire de molécules dans de petits domaines.
Ces phases polaires présentent une constante diélectrique de plus de 8 000, reflétant de grands moments dipolaires.
En appliquant comme milieu les molécules dimères de forme courbée nouvellement développées avec une énorme polarisation spontanée et une constante diélectrique, il est possible de réaliser une variété de dispositifs électroniques hautes performances. Par exemple, l'application aux condensateurs permettra la miniaturisation et la faible consommation d'énergie des appareils électroniques.
De plus, l'application aux éléments piézoélectriques et aux actionneurs électrostatiques permettra un entraînement basse tension, contribuant ainsi à améliorer la technologie de contrôle et les processus industriels économes en énergie.
Dans l'application aux éléments d'affichage vidéo 3D, la technologie est prometteuse en tant que technologie habilitante pour les écrans holographiques, car elle est moins susceptible de provoquer une diaphonie entre les pixels dans une structure de pixels fine et permet une commutation optique à grande vitesse. Ainsi, de nouvelles applications sont attendues dans des domaines tels que l'automobile, les robots industriels, les équipements médicaux et les dispositifs d'affichage vidéo.
Dans cette recherche, les trois phases polaires des molécules dimères courbées développées sont des liquides visqueux, et la recherche sur les techniques d'immobilisation telles que l'élastomérisation et la gélification est essentielle pour les applications pratiques.
Avec le développement des techniques d'immobilisation, les domaines d'application des matériaux ferroélectriques devraient s'étendre et se développer vers de nouveaux domaines d'application.
Plus d'informations : Shigemasa Nakasugi et al, Trois phases polaires distinctes, phases isotrope, nématique et smectique-A, formées à partir d'une molécule dimère fluorée avec un grand moment dipolaire, The Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI :10.1021/acs.jpcb.3c02259
Informations sur le journal : Journal de Chimie Physique B
Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo
