Cybotaxis dominates the nematic phase of bent-core mesogens: a small-angle diffuse X-ray diffraction study

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Oggetto del lavoro (traduzione)

La cibotatticità domina la fase nematica di cristalli liquidi di molecole curve: uno studio mediante diffrazione di raggi X a basso angolo.

L'elusiva fase liquido-cristallina (LC) denominata nematico ferroelettrico promette un ordine polare a lungo raggio accoppiato alla fluidità e alla capacità di autorigenerazione. La ricerca di questa nuova fase è alimentata da prospettive sia fondamentali che tecnologiche nel campo dei dispositive elettroottici capaci di rispondere rapidamente a un campo elettrico. Nonostante anni di intense ricerca sperimentale, solo nel 2009 è stata riportata (dal nostro gruppo) la prima prova indiscutibile di una risposta ferroelettrica nella fase nematica di un cristallo liquido formato da molecole curve (a forma di banana), aprendo la strada alla realizzazione di fluidi ferroelettrici allineabili mediante la semplice azione di un campo elettrico. Combinando la diffrazione di raggi X (RX) da radiazione di sincrotrone, misure di corrente di ripolarizzazione, caratterizzazione elettro-ottica e simulazione al computer, abbiamo dimostrato la presenza di una risposta ferroelettrica ed evidenziato che questa ha origine dall'allineamento cooperativo di gruppi "cibotattici" polari e biassiali di dimensione nanometrica esistenti nella fase nematica. In più, questi risultati hanno indicato una apparente correlazione tra la ferroelettricità e un'altra proprietà molto ricercata (e altrettanto sfuggente) dei cristalli liquidi, la biassialità nematica, presentata di recente come il Sacro Graal della scienza dei cristalli liquidi.

In questo lavoro, nuovi dati di diffrazione RX condotti al variare della temperatura sulla molecola "a banana" 2,5-bis(p-hydroxyphenyl)-1,3,4-oxadiazole (ODBP) consentono una interpretazione coerente della struttura supramolecolare in questa classe di cristalli liquidi. La chiara evidenza della cibotatticità nella fase ad alta temperature spiega il particolare spettro di diffrazione RX a basso angolo e mette in discussione l'interpretazione dei dati RX originariamente proposta in letteratura. Mostriamo che i dati sperimentali possono essere interpretati in modo soddisfacente mediante la cibotatticità obliqua, una disposizione stratificata con le molecole curve inclinate rispetto agli strati. La nostra interpretazione è compatibile con la risposta ferroelettrica e coi dati NMR che mostrano la biassilità nella fase nematica delle molecole ODBP. Questi risultati rappresentano un importante passo verso la comprensione del meccanismo microscopico alla base della risposta ferroelettrica e della biassilità nematica nelle molecole liquido-cristalline curve di tipo "a banana".

Job task

Cybotaxis dominates the nematic phase of bent-core mesogens: a small-angle diffuse X-ray diffraction study

 

The elusive ferroelectric nematic liquid crystal (LC) phase promises spontaneous long range polar order coupled with fluidity and the ability to self-heal. The search for this new phase is fuelled by fundamental and technological perspectives in the field of electro-optical devices with fast response to an electric field. Despite years of intensive experimental quest, only in 2009 the first undisputable proof of a ferroelectric response in the nematic phase of a bent-core ("banana-shaped") mesogen has been reported (by our group), disclosing the way toward ferroelectric fluids that can be aligned using a simple electric field. By combining synchrotron X-ray diffraction (XRD) studies, repolarisation current measurements, electro-optical characterisation, and computer simulations, we have demonstrated the ferroelectric switching response and shown that this originates from the cooperative alignment of nanometer-sized polar and biaxial cybotactic groups present in the nematic phase. In addition, these results have argued for an apparent correlation between ferroelectricity and another much sought-after (and equally elusive) LC feature, i.e. the nematic biaxility, that has been recently touted as the Holy Grail of the LC science.

Here, new temperature dependent XRD data on the nonlinear bent-core 2,5-bis(p-hydroxyphenyl)-1,3,4-oxadiazole (ODBP) molecule enable a consistent interpretation of the supramolecular structure in this class of liquid crystals. Strong evidence for cybotaxis in the high temperature phase explains the atypical small-angle four-spot pattern and calls into question prior XRD interpretation. We find that the data can be satisfactorily explained by skewed cybotaxis, a stratified arrangement of tilted, bent-core mesogens. Our XRD interpretation is compatible with the observed ferroelectric switching response and with the NMR data that exhibit biaxiality in the nematic phase of ODBP mesogens. These results represent a significant progress towards the understanding of the microscopic mechanisms underlying ferroelectric switching and nematic biaxility in bent-core mesogens.

Referente:

Prof. Oriano Francescangeli

Dipartimento di Fisica e Ingegneria dei Materiali e del Territorio

Tel: 071 2204734

Fax: 071 2204729

email: o.francescangeli@univpm.it