期待已久的新液晶相终于有了证据

诸平

Fig. 1 Curved rods in nematic phase     Fig 2 Curved rods in splay-bend nematic phase

据荷兰乌得勒支大学（Utrecht University, The Netherlands）2022年12月1日报道，期待已久的新液晶相终于有了证据（Evidence at last for long-awaited new liquid crystal phase）。

在科学家预测一种新的液晶相50年后，乌得勒支大学研究人员观察到了它。这些观察是在胶体棒(colloidal rods)模型系统中进行的，胶体棒是比分子大的棒状颗粒，因此更容易研究。研究人员还提供了一种使用棒状分子(rod-shaped molecules)实现材料的方法指导。例如，新相提供了对显示器和反射涂层的进一步发展感兴趣的材料特性。该团队由乌得勒大学Marjolein Dijkstra教授 和Alfons van Blaaderen教授领导。相关研究结果于2022年12月1日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Ramakrishna Kotni, Albert Grau-Carbonell, Massimiliano Chiappini, Marjolein Dijkstra, Alfons van Blaaderen. Splay-bend nematic phases of bent colloidal silica rods induced by polydispersity. Nature Communications, Published: 01 December 2022, 13, Article number: 7264. DOI: 10.1038/s41467-022-34658-y. https://www.nature.com/articles/s41467-022-34658-y

液晶显示器(liquid crystal displays简称LCDs)

液晶是一种性质介于液体和固体之间的材料。这种液晶的一个众所周知的例子是向列液晶（nematic liquid crystal）。这种材料广泛用于计算机、电话和电视的液晶显示器（LCD）。液晶的另一个应用是涂层。由液晶制成的涂层具有特殊的反射特性，因此它们可用于例如被动冷却建筑物（passively cool buildings）。

新应用(New applications)

研究人员现在首次通过实验观察到的液晶相是八字弯曲向列相（splay-bend nematic phase，Fig. 2）。这是向列液晶的更复杂版本。它的特点是在形成相的弯曲胶体棒的方向上具有波浪状特征。如果科学家们成功地用分子实现这种材料，将会出现各种新的应用可能性。这是因为新相具有与我们目前所知的相不同的特性。例如，八字弯曲向列相对电场的反应不同于向列液晶。这使得这些材料适合进一步开发，例如，屏幕和其他显示器、传感器和涂层。

挫败(Frustrations)

研究人员通过几次“挫败”观察了新相：材料的破坏性操作。颗粒的棒状是形成液晶的原因，当它们不那么直时，颗粒就更难指向同一方向。已经预测到这种挫败会导致新相。然后通过多分散性进一步挫败粒子（赋予粒子不同的长度），此材料会变得稳定并且可以观察到预测的相。

本研究得到荷兰教育、文化和科学部政府资助的荷兰科学研究组织（NWO）引力项目（NWO Gravitation program funded by the Ministry of Education, Culture and Science of the government of the Netherlands）——荷兰多尺度催化能量转换中心(Netherlands Center for Multiscale Catalytic Energy Conversion简称MCEC)资助以及欧洲研究理事会（European Research Council简称ERC）的拨款{ European Research Council (ERC) via the ERC Consolidator Grant NANO-INSITU (grant no. 683076)；European Research Council (Grant No. ERC-2019-ADG 884902 SoftML)}支持。

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Abstract

Liquid crystal (LC) phases are in between solids and liquids with properties of both. Nematic LCs composed of rod-like molecules or particles exhibit long-range orientational order, yielding characteristic birefringence, but they lack positional order, allowing them to flow like a liquid. This combination of properties as well as their sensitivity to external fields make nematic LCs fundamental for optical applications e.g. liquid crystal displays (LCDs). When rod-like particles become bent, spontaneous bend deformations arise in the LC, leading to geometric frustration which can be resolved by complementary twist or splay deformations forming intriguing twist-bend (N_TB) and splay-bend (N_SB) nematic phases. Here, we show experimentally that the elusive N_SB phases can be stabilized in systems of polydisperse micron-sized bent silica rods. Our results open avenues for the realization of N_TB and N_SB phases of colloidal and molecular LCs.