No Cluster de Pesquisa Colaborativa Tokyo Tech LG Material &Life Solution, uma equipe de pesquisa conjunta desenvolveu um cristal líquido dimérico ferroelétrico com polarização espontânea que excede (8 μCcm ^-2 ) e uma constante dielétrica que excede 8.000 em baixas temperaturas. As descobertas foram publicadas no The Journal of Physical Chemistry B .



Os cristais líquidos ferroelétricos são um tipo único de cristal líquido que possui alta polarização espontânea e constante dielétrica. Dentre estas, as moléculas diméricas possuem estrutura molecular simples e podem formar uma fase ferroelétrica em baixas temperaturas, portanto espera-se que sejam um material com muitas aplicações.

Os pesquisadores conjuntos desenvolveram uma molécula dimérica chamada di-₅ (₃ FM-C₄ T), que possui um núcleo mesógeno substituído com flúor ligado às asas laterais por um espaçador de pentametileno.

Os pesquisadores confirmaram que esta molécula dimérica apresenta cristalinidade líquida em baixas temperaturas (55°C a 211°C), e é composta por três fases polares:nemática, esmética e isotrópica, com uma enorme polarização espontânea (8 μCcm ^-2 ) e constante dielétrica (8.000).

Os pesquisadores conseguiram desenvolver um cristal líquido dimérico que apresenta ferroeletricidade em baixas temperaturas. O uso das moléculas diméricas desenvolvidas nesta pesquisa permitirá a criação de tecnologias como capacitores para dispositivos eletrônicos menores e com menor consumo de energia, elementos piezoelétricos e atuadores eletrostáticos que podem ser acionados em baixas tensões e displays holográficos que mostram vídeos tridimensionais.

Espera-se que esse desenvolvimento leve a novas aplicações em áreas como automóveis, robôs industriais e equipamentos médicos.

Os resultados da pesquisa foram alcançados pelo Tokyo Tech LG Material &Life Solution Collaborative Research Cluster, composto por Shigemasa Nakasugi (pesquisador conjunto com a indústria e outras organizações, incluindo o setor privado), Adj. Prof. Hiroki Ishizaki, Adj. Assoc. Prof. Sung Min Kang do LG Japan Lab, Prof. Prof. Junji Watanabe e Assoc. Prof. Tso-Fu Mark Chang, do Laboratório para Futuras Pesquisas Interdisciplinares de Ciência e Tecnologia, e Professor Takaaki Manaka, da Escola de Engenharia, que é uma organização de pesquisa conjunta do LG Japan Lab e do Tokyo Institute of Technology.

Os resultados foram publicados no Journal of Physical Chemistry B .

Espera-se que os cristais líquidos ferroelétricos tenham aplicações inovadoras em dispositivos eletrônicos porque exibem maior polarização espontânea e constante dielétrica do que os cristais líquidos convencionais. Além disso, devido às suas propriedades de comutação de alta velocidade e efeito de memória, eles atraíram recentemente a atenção como um material favorável para a realização de exibições holográficas que requerem estruturas de pixels finas.

A ferroeletricidade requer uma redução da simetria molecular e as fases esméticas-C quirais com moléculas quirais, as fases nemáticas com os grupos funcionais específicos e as moléculas curvadas com uma estrutura curvada foram desenvolvidas até agora.

Em particular, as moléculas curvadas têm a propriedade de que a estrutura curvada da molécula reduz a simetria intramolecular, e a ferroeletricidade pode ser expressa com uma estrutura molecular simples que não requer a introdução de grupos funcionais específicos.

Além disso, algumas moléculas com formato dobrado são conhecidas como moléculas diméricas. Embora a maioria das moléculas curvadas tenha mesógeno ligado às posições 1,3 do núcleo aromático, as moléculas diméricas contêm um grupo alquileno flexível (número de carbono ímpar) como ligação mesógeno.

Este grupo alquileno flexível permite que a molécula dimérica forme as fases ferroelétricas a temperaturas mais baixas do que as moléculas convencionais de formato dobrado, o que é superior em termos de desenvolvimento de aplicações.

Neste estudo, a equipe de pesquisa concentrou-se nas moléculas diméricas para desenvolver novos materiais com enorme polarização espontânea e constante dielétrica.

Os pesquisadores desenvolveram uma nova molécula dimérica com um grande momento dipolar para alcançar enorme polarização espontânea e constante dielétrica. Especificamente, eles sintetizaram uma molécula dimérica, di-5 (3FM-C4T), que possui um núcleo mesógeno substituído por flúor ligado por espaçadores de pentametileno como asas laterais.

Devido à substituição eficaz de flúor, o núcleo mesógeno de di-₅ (₃ FM-C₄ Descobriu-se que T) tem um momento dipolar muito grande de 11,2 D pela teoria do funcional de densidade. Di-₅ (₃ FM-C₄ T) foi analisado estruturalmente para revelar fases ferroelétricas nemáticas (NF), ferroelétricas esméticas-A (SmAPF) e isotrópicas polares (IsoP).

A fase NF consiste em moléculas em forma de U e tem uma enorme polarização espontânea de cerca de 8 μCcm ^-2 , refletindo o grande momento dipolar do núcleo mesógeno. Por outro lado, a fase SmAPF consiste em moléculas com formato curvado e possui alta polarização espontânea de cerca de 4 μCcm ^-2 .

A polarização espontânea da fase SmAPF é metade da fase NF, o que se deve ao momento dipolar reduzido pela metade na molécula dobrada com um ângulo de curvatura de 120° em uma comparação das moléculas em forma de U. A fase IsoP do lado de alta temperatura, que ainda está em análise estrutural, ainda apresenta estrutura polar e pode apresentar agregação polar de moléculas em pequenos domínios.

Estas fases polares exibem uma constante dielétrica de mais de 8.000, refletindo grandes momentos dipolares.

Ao aplicar como meio as moléculas diméricas de formato dobrado recentemente desenvolvidas com enorme polarização espontânea e constante dielétrica, é possível realizar uma variedade de dispositivos eletrônicos de alto desempenho. Por exemplo, a aplicação aos capacitores permitirá a miniaturização e o baixo consumo de energia de dispositivos eletrônicos.

Além disso, a aplicação aos elementos piezoelétricos e aos atuadores eletrostáticos permitirá o acionamento de baixa tensão, contribuindo para uma melhor tecnologia de controle e processos industriais com economia de energia.

Na aplicação a elementos de exibição de vídeo 3D, a tecnologia é promissora como uma tecnologia habilitadora para exibições holográficas porque é menos provável que cause interferência entre pixels em uma estrutura de pixels finos e permite comutação óptica de alta velocidade. Assim, novas aplicações são esperadas em áreas como automóveis, robôs industriais, equipamentos médicos e dispositivos de exibição de vídeo.

Nesta pesquisa, as três fases polares das moléculas diméricas em formato dobrado desenvolvidas são líquidos viscosos, e a pesquisa em técnicas de imobilização, como elastomerização e gelificação, é essencial para aplicações práticas.

Com o desenvolvimento das técnicas de imobilização, espera-se que os campos de aplicação dos materiais ferroelétricos se expandam e se desenvolvam em novos campos de aplicação.

Mais informações: Shigemasa Nakasugi et al, Três fases polares distintas, fases isotrópica, nemática e esmética-A, formadas a partir de uma molécula dimérica substituída por fluoro com grande momento de dipolo, The Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI:10.1021/acs.jpcb.3c02259
Informações do diário: Jornal de Físico-Química B

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio