ИОФ РАН
Мезоморфизм, диэлектрическая проницаемость и ионная проводимость тридецилата холестерола, легированного малослойными фрагментами графита
Пресс-релиз публикации: D.N. Chausov, A.D. Kurilov, A.I. Smirnova, D.N. Stolbov, R.N. Kucherov, A.V. Emelyanenko, S.V. Savilov, N.V. Usol’tseva. Mesomorphism, Dielectric Permittivity, and Ionic Conductivity of Cholesterol Tridecylate Doped with Few-Layer Graphite Fragments // Journal of Molecular Liquids. – 2023. – Volume 374. – p. 121139. DOI: 10.1016/j.molliq.2022.121139
В области создания новых органических композитных и гибридных наноматериалов особое место занимают системы на основе жидких кристаллов (ЖК) и углеродных наноструктур (УНС). С одной стороны, сочетание физико-химических свойств компонентов, составляющих систему ЖК/УНС, способствует оптимизации ее свойств с точки зрения чувствительности, быстродействия и электропроводности. С другой стороны, благодаря уникальным физическим свойствам УНС такие системы защищают ЖК-дисплеи от высоких механических нагрузок и значительных перепадов температур, что важно при различных экстремальных условиях их применения.
Однако закономерности межмолекулярных и межчастичных взаимодействий в гетероструктурных конденсированных средах (таких как системы ЖК/УНС) еще полностью не установлены. Кроме того, влияние структурных особенностей УНС, их функционализации и концентрации на физические и физико-химические свойства геликоидальных фаз остается недостаточно изученным. Этот недостаток препятствует целенаправленному созданию материалов на основе ЖК с желаемыми свойствами, важными для практических применений.
Исходя из вышеизложенного, была поставлена задача систематического изучения влияния типа, концентрации и присутствия функциональных групп в УНС на физические и физико-химические свойства их систем с холестерическими жидкими кристаллами. В наших предыдущих исследованиях рассматривался вопрос, касающийся влияния типа и концентрации УНС на термотропный мезоморфизм, параметр порядка, спонтанную поляризацию, диэлектрические и реологические свойства систем УНС с геликоидальными (холестерическими и сегнетоэлектрическими) мезофазами.
В работе было изучено влияние допирования малослойными графитовыми фрагментами (МГФ) холестерического жидкого кристалла – тридецилата холестерола (Х-20) при концентрациях добавки 0.005 масс.% и 0.02 масс.%. Установлено нелинейное влияние концентрации легирующей примеси на температуру фазового перехода, термодинамику, удельную ионную проводимость и энергию ионных переходов между положениями равновесия систем X-20/МГФ. На фазовой диаграмме впервые обнаружен двойной SmA-N* переход при добавлении МГФ, который обсуждается в рамках модели ступенчатых фазовых субпереходов (сначала возникает фазовый переход вблизи поверхности наночастиц, а затем в объёме ЖК). Схема деформации поля директора вблизи МГФ и наличие расщепления фазового перехода SmA-N* на термограмме Х-20 с МГФ представлены на рисунке 1.
Сравнение данных дифференциальной сканирующей калориметрии с характеристиками диэлектрической проницаемости и ионной проводимости позволяет предположить общность факторов, влияющих как на особенности мезоморфизма при легировании основной жидкокристаллической матрицы МГФ, так и на различия в диэлектрической проницаемости, ионной проводимости и энергии активации между чистым X-20 и его легированными системами. Наблюдаемые эффекты в системах X-20/МГФ объясняются сосуществованием двух разнонаправленных процессов: 1) взаимодействия между частицами МГФ, приводящее к их агрегации и образованию сетей просачивания, 2) диполь-дипольных взаимодействий между молекулами X-20 и частицами МГФ, приводящих к ориентации частиц X-20 на плоских МГФ (эффект закрепления). Преобладание одного процесса над другим зависит от концентрации МГФ и температуры. Диполь-дипольные взаимодействия X-20 и МГФ увеличивают параметр порядка нематической фазы на макроскопическом уровне, тем самым улучшая диэлектрические свойства несущей ЖК матрицы. Исследование диэлектрических свойств и термодинамики фазовых превращений синтезированных образцов выполнены сотрудниками ИОФ РАН.
Пресс-релиз подготовил: научный сотрудник Центра биофотоники ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук А.Д. Курилов.
Рис. 1. Схема деформации поля директора вблизи малослойных графитовых фрагментов (слева) и наличие расщепления фазового перехода SmA-N* на данных дифференциальной сканирующей калориметрии для Х-20 с МГФ (справа). (Источник: D.N. Chausov, A.D. Kurilov, A.I. Smirnova, D.N. Stolbov, R.N. Kucherov, A.V. Emelyanenko, S.V. Savilov, N.V. Usol’tseva. Mesomorphism, Dielectric Permittivity, and Ionic Conductivity of Cholesterol Tridecylate Doped with Few-Layer Graphite Fragments // Journal of Molecular Liquids. – 2023. – Volume 374. – p. 121139. DOI: 10.1016/j.molliq.2022.121139)