Южно-Китайский технологический университет: сегнетоэлектрический нематик FNT3 с магнитным откликом

Исследователи под руководством Минцзюня Хуана и Сяочэня Се из Школы передовой мягкой материи Южно-Китайского технологического университета синтезировали полностью органический сегнетоэлектрический нематический жидкий кристалл FNT3, сообщает EurekAlert. Материал получен ковалентным соединением стабильных нитроксильных радикалов TEMPO с полярными мезогенными фрагментами eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗. Работа опубликована как открытая исследовательская статья в CCS Chemistry. По данным авторов, нелинейный магнитный отклик и ближние спиновые корреляции заметно усиливаются по мере образования сегнетоэлектрической нематической фазы eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗.

Молекулярный дизайн и сегнетоэлектрический порядок

Команда разработала три молекулы с функциональными группами TEMPO: FNT1, FNT2 и FNT3. Группы TEMPO создают значительные пространственные затруднения, поэтому авторы удлинили мезогенный остов, чтобы улучшить анизотропию формы молекулы. В результате FNT3 образует и неполярную нематическую фазу (N), и сегнетоэлектрическую нематическую фазу (NF) eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗. Расчёты DFT дали для FNT3 молекулярный дипольный момент около 10.9 D, направленный преимущественно вдоль длинной оси молекулы.

Сегнетоэлектрические свойства подтвердили поляризационная микроскопия, ток переполяризации и генерация второй гармоники (SHG). Ниже примерно 120 °C система демонстрировала значимый сигнал SHG и сегнетоэлектрический отклик, а поляризация насыщения достигала около 2.0 μC/cm² eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗. Таким образом, сегнетоэлектрический нематический порядок получен в однокомпонентной полностью органической системе, несмотря на объёмные радикальные группы.

Магнитный отклик и спиновое окружение

Измерения на SQUID показали, что FNT3 отличается от обычных диамагнитных жидких кристаллов. В фазе N кривая намагниченности начинает отклоняться от идеального линейного парамагнетизма. В фазе NF нелинейный отклик существенно усиливается eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗. При 87 °C намагниченность FNT3 составляет около 0.03 emu/g, петля гистерезиса узкая, коэрцитивное поле около 200 Oe, что близко к суперпарамагнитному поведению. Физическая смесь RM734 и TEMPO давала в основном приблизительно линейный парамагнитный отклик, что указывает на важность ковалентной связи радикала с мезогенным фрагментом.

По данным температурной ЭПР-спектроскопии, при переходе из нематической в сегнетоэлектрическую нематическую фазу триплетная сверхтонкая линия TEMPO уширялась и изменялась, а кажущееся g-значение росло примерно с 2.0088 до 2.0100. WAXS не выявил резкого изменения плотности упаковки молекул при усилении магнитного отклика. Поэтому авторы предполагают, что полярный порядок может регулировать эффективные спиновые взаимодействия между молекулами через изменение ориентации радикалов и локальных пространственных корреляций eurekalert.orgEurekAlerteurekalert.orgОткрыть источник ↗.

Авторы отмечают, что микроскопический механизм спиновой связи и прямая макроскопическая магнитоэлектрическая связь требуют дальнейшей проверки. Статья называется «All-Organic Strong-Paramagnetic Ferroelectric Nematic Fluids» (DOI 10.31635/ccschem.026.202608172).