Approfondimenti sulla fase nematico cibotattica di cristalli liquidi di molecole “a banana”

• Versione italiana
• English version

Oggetto del lavoro (traduzione)

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 si riporta l’evidenza sperimentale mediante diffrazione RX di clusters dotati di struttura supramolecolare cibotattica obliqua nella fase nematica del diestere-butilossifenile, ODBP-Ph-OC4, una molecola mesogenica con struttura curva “a banana”.   La dipendenza dalla temperatura del tipico pattern di diffrazione a 4 spot diffusi mostra che l’angolo di tilt nei cluster cibotattici varia con la tempetaura. Le lunghezze di correlazione non mostrano evidenza di comportamento critico e non è presente alcuna fase smettica C sottostante. I cluster cibotattici persistono su tutto l’intervallo di 85 °C della fase nematica e restano evidenti anche nella fase nematica sottoraffreddata. Questa struttura supramolecolare intrinsecamente biassiale, costituita da cluster di mesogeni stratificati e inclinati immersi in un ambiente nematico peraltro disordinato posizionalmente,   è in grado di spiegare la biassialità e la risposta ferroelettrica osservate nella fase nematica di mesogeni “a banana”. Questo risultato rappresentano un importante passo verso la comprensione del meccanismo microscopico alla base della risposta ferroelettrica e della biassilità nematica nelle molecole liquido-cristalline curve a forma di banana.

  

Job task

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, we present X-ray diffraction evidence for clusters exhibiting a skewed cybotactic supramolecular structure in the nematic phase of the butyloxy-phenyl diester, ODBP-Ph-OC4, a bent core mesogenic diester of the nonlinear diol 2,5-bis-( p -hydroxyphenyl)-1,3,4-oxadiazole (ODBP). The temperature dependence of the off-meridional four-spot pattern shows that the tilt angle in the cybotactic clusters changes with temperature. The correlation lengths exhibit no evidence of critical behavior but there is no underlying smectic C phase in ODBP-Ph-OC4. The tilted cybotactic clusters persist throughout the 85 ° C wide nematic phase, and even remain evident in the supercooled nematic. This inherently biaxial supramolecular structure, i.e. clusters of stratified and tilted mesogens embedded in an otherwise translationally disordered nematic host medium, may account for the NMR biaxiality and ferroelectric response observed in nematic phases of bent-core mesogens. These results represent a significant progress towards the understanding of the microscopic mechanisms underlying ferroelectric switching and nematic biaxiality in bent-core mesogens. 

Referente:

Prof. Oriano Francescangeli

Dipartimento di Fisica ed Ingegneria dei Materiali e del Territorio

Tel. 071 2204734

e-mail o.francescangeli@univpm.it