Физико-химические и электрооптические свойства жидких кристаллов, допированных химически модифицированной наноглиной

  • Валерий Иванович Лапаник Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Анатолий Петрович Луговский Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-9609-5088
  • Сергей Николаевич Тимофеев Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-4437-4915
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-76-88

Аннотация

Объектом исследования являются нематические и смектические (сегнетоэлектрические) жидкие кристаллы, содержащие химически модифицированную наноразмерную глину на основе монтмориллонита. Цель работы – получение новых композиционных материалов с улучшенными физико-химическими и электрооптическими свойствами. В ходе исследования были разработаны методы химического модифицирования поверхности наноглины, изучены мезоморфные, диэлектрические и электрооптические свойства нематических и сегнетоэлектрических композиций, допированных наноглиной с модифицированной поверхностью. На основе экспериментальных данных установлены закономерности влияния привитых на поверхность наноглины функциональных групп на мезоморфные, диэлектрические и электрооптические свойства нематических и сегнетоэлектрических композиций. Экспериментально показано, что добавление небольшого количества наноглины в нематический и сегнетоэлектрический жидкокристаллический материал позволяет существенно улучшить время электрооптического отклика, уменьшить значения порогового напряжения и напряжения насыщения. Для сегнетоэлектрических жидких кристаллов добавление наноглины приводит к увеличению угла наклона в слое и повышению спонтанной поляризации.

Биографии авторов

Валерий Иванович Лапаник, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

заведующий лабораторией оптики конденсированных сред.

Анатолий Петрович Луговский, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат химических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории спектроскопии.

Сергей Николаевич Тимофеев, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

старший научный сотрудник лаборатори оптики конденсированных сред.

Литература

  1. Goodby J, Collings P, Kato T, Tschierske C, Gleeson H, Raynes P, editors. Handbook of liquid crystals. Volume set. 2nd edition. [S. l.]: Wiley-VCH; 2014. 5240 p. DOI: 10.1002/9783527671403.
  2. Minko A, Lapanik V, Pasliadovich M. Development of new liquid crystal materials and devices. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2018;2:151–159. Russian.
  3. Kato T, Mizoshita N, Kishimoto K. Functional liquid-crystalline assemblies: self-organized soft materials. Angewandte Chemie. International Edition. 2005;45(1):38–68. DOI: 10.1002/anie.200501384.
  4. Woltman SJ, Jay GD, Crawford GP. Liquid-crystal materials find a new order in biomedical applications. Nature Materials. 2007; 6:929–938. DOI: 10.1038/nmat2010.
  5. Kumar S. Discotic-functionalized nanomaterials. Synthesis and Reactivity in Inorganic Metal-Organic and Nano-Metal Chemistry. 2007;37:327–331. DOI: 10.1080/15533170701385754.
  6. Hegmann T, Qi H, Marx VM. Nanoparticles in liquid crystals: synthesis, self-assembly, defect formation and potential applications. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 2007;17:483–508. DOI: 10.1007/s10904-007-9140-5.
  7. Cseh L, Mehl G. Structure-property relationships in nematic gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry. 2007;17(4): 311–315. DOI: 10.1039/B614046G.
  8. Qi H, Hegman T. Impact of nanoscale particles and carbon nanotubes on current and future generations of liquid crystal displays. Journal of Materials Chemistry. 2008;18(28):3288–3294. DOI: 10.1039/B718920F.
  9. Qi H, Kinkead B, Hegmann T. Effects of functionalized metal and semiconductor nanoparticles in nematic liquid crystal phases. Proceedings of SPIE. 2008;6911:691106. DOI: 10.1117/12.759473.
  10. Qi H, Hegmann T. Formation of periodic stripe patterns in nematic liquid crystals doped with functionalized gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry. 2006;16(43):4197–4205. DOI: 10.1039/B611501B.
  11. Shiraishi Y, Toshima N, Maeda K, Yoshikawa H, Xu J, Kobayashi S. Frequency modulation response of a liquid-crystal electrooptic device doped with nanoparticles. Applied Physics Letters. 2002;81(15):2845–2847. DOI: 10.1063/1.1511282.
  12. Kobayashi S, Toshima N. Nanoparticles and LCDs: it’s a surprising world. Information Display. 2007;23:26–35.
  13. Yoshida H, Kawamoto K, Kubo H, Tsuda A, Fujii A, Kuwabata S, et al. Nanoparticle-dispersed liquid crystals fabricated by sputter doping. Advanced Materials. 2010;22(5):622–626. DOI: 10.1002/adma.200902831.
  14. Shivakumar U, Mirzaei J, Feng X, Sharma A, Moreira P, Hegmann T. Nanoparticles: complex and multifaceted additives for liquid crystals. Liquid Crystals. 2011;38(11–12):1495–1514. DOI: 10.1080/02678292.2011.605477.
  15. Stamatoiu O, Mirzaei J, Feng X, Hegmann T. Nanoparticles in liquid crystals and liquid crystalline nanoparticles. In: Tschierske C, editor. Liquid Crystals. Berlin: Springer; 2012. p. 331–393. (Topics in Current Chemistry; volume 318). DOI: 10.1007/128_2011_233.
  16. Reznikov Y, Buchnev O, Tereshchenko O, Reshetnyak V, Glushchenko A, West J. Ferroelectric nematic suspension. Applied Physics Letters. 2003;82(12):1917–1919. DOI: 10.1063/1.1560871.
  17. Buchnev O, Cheon CI, Glushchenko A, Reznikov Yu, West JL. New non-synthetic method to modify properties of liquid crystals using micro- and nanoparticles. Journal of the Society for Information Display. 2005;13(9):749–754. DOI: 10.1889/1.2080512.
  18. Li F, Buchnev O, Cheon C, Glushchenko A, Reshetnyak V, Reznikov Y, et al. Orientational coupling amplification in ferroelectric nematic colloids. Physical Review Letters. 2006;97(14):147801. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.147801.
  19. Lopatina LM, Selinger JV. Theory of ferroelectric nanoparticles in nematic liquid crystals. Physical Review Letters. 2009;102(19): 197802. DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.197802.
  20. Yoshida H, Tanaka Y, Kawamoto H, Kubo K, Fujii A, Kuwabata S, et al. Nanoparticle-stabilized cholesteric blue phases. Applied Physics Express. 2009;2:121501. DOI: 10.1143/APEX.2.121501.
  21. Shandryuk G, Matukhina E, Vasil’ev R, Rebrov A, Bondarenko G, Merekalov A, et al. Effect of H-bonded liquid crystal polymers on CdSe quantum dot alignment within nanocomposite. Macromolecules. 2008;41(6):2178–2185. DOI: 10.1021/ma701983y.
  22. Tal’roze RV, Shandryuk GA, Merekalov AS, Shatalova AM, Otmakhova OA. Alignment of nanoparticles in polymer matrices. Polymer Science Series A. 2009;51(11):1194–1203. DOI: 10.1134/S0965545X09110030.
  23. Lapanik V, Lugouskiy A, Timofeev S, Haase W. Influence of the size and the attached organic tail of modified detonation nanodiamond on the physical properties of liquid crystals. Liquid Crystals. 2014;41(9):1332–1338. DOI: 10.1080/02678292.2014.919673.
  24. Zhang S, Kumar S. Carbon nanotubes as liquid crystals. Small. 2008;4(9):1270–1283. DOI: 10.1002/smll.200700082.
  25. Bisoyi HK, Kumar S. Carbon-based liquid crystals: art and science. Liquid Crystals. 2011;38(11–12):1427–1449. DOI: 10.1080/ 02678292.2011.597882.
  26. Lapanik V, Timofeev S, Haase W. Electro-optic properties of nematic and ferroelectric liquid crystalline nanocolloids doped with partially reduced graphene oxide. Phase Transitions. 2016;89(2):133–143. DOI: 10.1080/01411594.2015.1067703.
  27. Arora P, Mikulko A, Podgornov F, Haase W. Dielectric and electro-optic properties of new ferroelectric liquid crystalline mixture doped with carbon nanotubes. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2009;502(1):1–8. DOI: 10.1080/15421400902813592.
  28. Lee W, Wang C-Yu, Shih Yu-C. Effects of carbon nanosolids on the electro-optical properties of a twisted nematic liquid-crystal host. Applied Physics Letters. 2004;85(4):513–515. DOI: 10.1063/1.1771799.
  29. Rahman M, Lee W. Scientific duo of carbon nanotubes and nematic liquid crystals. Journal of Physics D: Applied Physics. 2009;42(6):063001. DOI: 10.1088/0022-3727/42/6/063001.
  30. Baik I-S, Jeon SY, Lee SH. Electrical-field effect on carbon nanotubes in a twisted nematic liquid crystal cell. Applied Physics Letters. 2005;87(26):263110. DOI: 10.1063/1.2158509.
  31. Scalia G, Lagerwall JPF, Schymura S, Haluska M, Giesselmann F, Roth S. Carbon nanotubes in liquid crystals as versatile functional materials. Physica Status Solidi (b). 2007;244(11):4212–4217. DOI: 10.1002/pssb.200776205.
  32. Chen HYu, Lee W, Clark N. Faster electro-optical response characteristics of a carbon-nanotube-nematic suspension. Applied Physics Letters. 2007;90(3):033510. DOI: 10.1063/1.2432294.
  33. Huang C-Y, Pan H-C, Hsieh C-T. Electrooptical properties of carbon-nanotube-doped twisted nematic liquid crystal cell. Japanese Journal of Applied Physics. 2006;45(1-8A):6392–6394. DOI: 10.1143/JJAP.45.6392.
  34. Yakemseva M, Dierking I, Kapernaum N, Usoltseva N, Giesselmann F. Dispersions of multi-wall carbon nanotubes in ferroelectric liquid crystals. The European Physical Journal E. 2014;37:7. DOI: 10.1140/epje/i2014-14007-4.
  35. Miyasato K, Abe S, Takezoe H, Fukuda A, Kuzev E. Direct method with triangular waves for measuring spontaneous polarization in ferroelectric liquid crystals. Japanese Journal of Applied Physics. 1983;22(2–10):L661. DOI: 10.1143/JJAP.22.L661.
  36. Baikalov VA, Beresnev LA, Blinov LM. Measures of the molecular tilt angle and optical anisotropy in ferroelectric liquid crystals. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1985;127(1):397. DOI: 10.1080/00268948508080854.
  37. Okada A, Usuki A. Twenty years of polymer-clay nanocomposites. Macromolecular Materials and Engineering. 2006;291(12): 1449–1476. DOI: 10.1002/mame.200600260.
  38. Jawaid M, Qaiss Abou el Kacem K, Bouhfid R, editors. Nanoclay reinforced polymer composites: natural fibre /nanoclay hybrid composites. Singapore: Springer; 2016. 296 p. DOI: 10.1007/978-981-10-0950-1.
  39. Bejder EJ, Petrova GN, Pokid’ko BV, Bitt VV, Skljarevskaja NM, inventors; Vserossijskij nauchno-issledovatel’skij institut aviatsionnykh materialov, assignee. Method of modifying nanosilicates. Russian Federation patent RU 2433954 C1. 2010 May
  40. Basun SA, Cook G, Reshetnyak VYu, Glushchenko AV, Evans DR. Dipole moment and spontaneous polarization of ferroelectric nanoparticles in a nonpolar fluid suspension. Physical Review B. 2011;84(2):024105. DOI: 10.1103/PhysRevB.84.024105.
  41. Herrington MR, Buchnev O, Kaczmarek M, Nandhakumar I. The effect of the size of BaTiO3 nanoparticles on the electro-optic properties of nematic liquid crystals. Molecular Crystals Liquid Crystals. 2010;527(1):72/[228]–79/[235]. DOI: 10.1080/15421406.2010. 486362.
  42. Basu R, Garvey A. Effects of ferroelectric nanoparticles on ion transport in a liquid crystal. Applied Physics Letters. 2014; 105(15):151905. DOI: 10.1063/1.4898581.
Опубликован
2020-10-07
Ключевые слова: жидкокристаллические нанокомпозиты, диэлектрическая проницаемость, электрооптические параметры, химически модифицированная наноглина, межфазное взаимодействие
Как цитировать
Лапаник, В. И., Луговский, А. П., & Тимофеев, С. Н. (2020). Физико-химические и электрооптические свойства жидких кристаллов, допированных химически модифицированной наноглиной. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 76-88. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-76-88
Выпуск
№ 3 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).