在这项工作中，团队详细探究了形成新型铁电向列相（NF）的拓扑结构、形成过程和机理、以及NF相的通用分子设计策略。为此，设计合成了近50种新的棒状液晶小分子，在4-13 Debye（D）区间连续调控分子的偶极矩μ大小；同时改变分子侧链的长度、位置、类型，研究分子几何形状的影响。首次揭示了NF相形成的普遍分子特征(图A)：棒状基元偶极矩μ需要达到9D、偶极矩的方向需要偏离分子主轴一定角度。该分子特征为理解NF相的形成驱动力提供了重要信息。进一步确定了不同极性铁电畴在更高尺度的序构方式(图B)：铁电畴P以Néel型缺陷方式转换为-P，即通过展开（splay）和弯曲（bend）变形实现π方位角旋转连接极性相反的相邻铁电畴，单一极性铁电畴的尺寸在10-70 μm。大多数NF液晶在冷却过程会经历传统的非极性向列相（N）到NF的相转变，类似于无机铁电材料中的居里点。通常，在各向同性（Iso）液体或者N相状态，材料表现出相对较低的介电常数（<20），观察不到SHG信号（图C）。然而，随着温度降低临近N-NF相变点，POM的织构从Schlieren纹理（N相）转变成条带纹理（NF相），介电常数和SH信号都连续且急剧地增长。
相比于传统的软物质材料，NF液晶具备多种变革性性质。第一，NF液晶的介电常数超过10000（1-10 kHz），这也是目前软物质材料中观测到的最高介电值，可与众所周知的无机铁电或弛豫铁电体材料媲美。第二，在无任何强电场取向处理的条件下，该类NF材料的二阶非线性光学响应系数（NLO）系数达到10 pm V-1，与某些铁电固体材料相当。第三，极性的铁电序构使NF液晶比N液晶对电场更加敏感，低至100 V/m的电场便足以克服NF的取向弹性，测得的极化密度高达6×10-2 C/m2。NF液晶材料中铁电排列序构、超高介电常数、电场响应灵敏性、强非线性光学响应以及流动性或柔韧性的组合是相当独特的。本项工作不仅能够将对这一变革性凝聚态软物质的基础物理认识上升一个新的层次，丰富并完善极性软物质材料的多尺度表征手段，且能大幅度推动此类柔性超高介电液晶材料在柔性高密度介电储能、非线性波长转换、软体机器人或新型显示材料等领域的应用可能性。
该文章第一作者为博士生李金星、合作者Hiroya Nishikawa和博士后Junichi Kougo，通讯作者为黄明俊研究员和Satoshi Aya研究员。
来源：华南理工大学
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https://advances.sciencemag.org/content/7/17/eabf5047