向列相液晶弯曲机械效应和纳米机械效应的研究

Liquid crystal of bent core molecules can exhibit nematic phase. In bent core nematic (BCN) liquid crystal cells with flexible substrates, one finds a weak current of nA level, induced by the flexing mechanical oscillation, and the converse effect, that is liquid crystal cell flexing induced by the voltage. Originally, it is believed that the BCN liquid crystals exist giant flexoelectric effect, but this effect is not visible in the subsequent pure electrical experiments. In respect of the giant flexoelectric effect and the observation of flexoelectric coefficients by purely electrical method, we have some preliminary work. And on that basis, we will reveal the physical mechanisms of the mechanical flexure effect by experiment research and theoretical exploration. A lot of experimental results refer to the biaxial nematic phase in BCN as the interface induced biaxiality (not bulk biaxiality). Liquid crystal interface is in the nanoscale. This brings us to the nano-mechanical properties of liquid crystal, especially nanocofined effect. Based on the long term accumulation of biaxiality, we will measure the nano-force and nano-torque in in the force spectroscopy mode, using an atomic force microscopy. Within both the latest Landau-de Gennes theory and semimicroscopic model, we will study the new experimental phenomena of order reconstruction and achieve the electric field control of the order reconstruction. Finally, we want to provide new ideas about the combination of liquid crystals and nano-materials.

弯曲型分子液晶可以呈现向列相。对柔性基板BCN液晶盒发现弯曲机械振动产生nA级微弱电流,并有电压致液晶盒产生弯曲的逆效应。最初人们认为BCN液晶存在巨挠曲电效应，但随后的纯电学实验测量却观察不到该效应。在巨挠曲电效应和纯电学方法观察挠曲电系数方面，我们做了一些前期工作，在此基础上拟通过实验研究和理论探索，揭示这一机械弯曲效应的物理机制。大量实验结果将BCN中的双轴相，引向界面诱导双轴特性上来（而并非本体双轴特性）。液晶的界面尺度在纳米量级。问题将我们代入液晶的纳米机械特性，特别是纳米限制效应上来。我们依据长期的双轴性研究工作积累，使用原子力显微镜在力谱工作模式下测量纳米力和纳米力矩，结合最新发展的Lanau-de Gennes理论和半微观模型，研究有序重构这一新的实验现象并实现电场对有序重构的控制，最终为液晶与纳米材料相结合提供新的研究思路。

在研究液晶的光学响应特性和显示应用时，需要提供几个微米厚度的液晶层。但在非显示应用，例如在表面等离子激元的应用上，要求的液晶层厚度不超多几十纳米。目前，对小于几十纳米厚度液晶薄层的研究主要通过原子力显微镜的力谱曲线，这就引出了本课题的研究内容之一，液晶纳米机械效应的研究，它本质上为液晶的纳米受限效应,特征为发生有序重构。当与实验结果进行比较时，需要Landau理论的数值结果。我们第一个给出了“1/2”扭曲向错的纳米受限结果和力谱曲线，2014年在“Liquid Crystals”发表后，得到当年该期刊“Luckhurst–Samulski奖”的提名。在简并混合排列向列相（DHAN）液晶盒中，经常出现“+1”和“-1”布经（boojum）缺陷。在纳米受限条件下，国际上已经给出了“+1”布经缺陷的精细结构。由于“-1”布经没有轴对称性，其精细结构长期处于空白。通过分析“-1”布经结构的对称性，我们第一个给出了“-1”布经缺陷的精细结构，指出它的双轴性具有轴对称性，结果发表在“Liquid Crystals”上。国际上一直关注平面间纳米受限的各种效应，我们研究了曲面的影响，具体研究同轴圆筒间的纳米受限效应。研究发现同轴圆筒间“-1/2”楔型向错环在收缩和扩散两种机制的共同作用下达到平衡，结果发表在“Materials”上。液晶弯曲机械效应的本质是挠曲电效应。我们的研究结果与目前国际学术界的结论一致，即弯曲核向列相（BCN）不能产生稳定的巨挠曲电效应，因此无法产生有意义的电致弯曲。我们关于挠曲电效应的研究实现了实质性进展。基于Landau理论，第一次解释了弱摩擦基板上“+1”缺陷的挠曲电效应，结果发表在“Liquid Crystals”上。发展了光学导波方法测试挠曲电系数，即使用共面驱动（IPS）HAN液晶盒测量挠曲电系数（e1-e3）,论文发表在“AIP Advances”上。结合Jones矩阵的光学计算得出结论，挠曲电效应可以成为液晶显示器件产生漏光的重要因素，结果发表在“Journal of Display Technology”。作为重要合作者，参与完成广东工业大学项颖课题组关于“BCN液晶挠曲电效应产生的可调光栅”的研究，结果发表在“Phys. Rev. Applied”上。