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Polarization Stabilization Mechanism in Viscoelastic Ferroelectrics

Research Project

Project/Area Number 23K21078
Project/Area Number (Other) 21H01801 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

荒岡 史人  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, チームリーダー (10467029)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
Keywords液晶 / 有機強誘電体 / ソフトマター / 強誘電体 / ソフトマテリアル / 有機機能材料 / X線構造解析 / 非線形分光
Outline of Research at the Start

本研究では、近年報告されている強誘電性カラムナー液晶など粘弾性を伴うソフトマター強誘電体において、微小極性構造や弾性変形といった時空間状態が分極安定化に果たす役割を明らかにする。コア技術には、共鳴X線や和周波発生(SFG)といったソフトマター研究であまり使われてきていない手法を用い、従来手法では観察困難な、微小構造や動的状態を解析する。これにより、今後の材料開発指針にも欠かせない物理描像を得る。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、赤外-可視二重共鳴和周波分光(DR-SFG)の測定系構築を前年度に引き続き行ったほか、新規強誘電性ネマチック分子において赤外吸収分光による官能基の振動共鳴の測定を行った。DR-SFGでは、通常のSFGで用いられるよりも短い波長の可視光を利用することで、半共鳴状態での信号増強が可能となり、したがって基本的に可視域で透明であり本質的な信号が弱い強誘電性ネマチック液晶の系でも測定が可能となった。本年度は、赤外吸収分光により明らかとなっている分子内官能基の配向性と、分極の相関関係を探るところからスタートしている。赤外吸収分光測定においては、温度変化と相転移に応じて極性を司る官能基であるシアノ基やニトロ基の振動モードにわずかな周波数シフトが見られ、これらの分子長軸方向の相互作用が相転移に関連している可能性を示している。加えて、π-π相互作用のような分子横軸方向の相互作用がスメクチック構造といった2次元構造への発展に寄与していることが示唆された。また、軟X線を用いた炭素K端吸収測定を行った。X線の吸収スペクトルの温度依存性を測定したところ、長軸方向の相互作用に対応していると思われるs軌道由来の吸収ピークに顕著な変化が見られた。この挙動は、短軸方向の相互作用が強くなる通常のネマチック液晶とは逆の傾向であることを見だした。いずれも、今後の強誘電性ネマチック分子設計に重要な成果である。現在、それぞれ論文投稿準備中である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前年度末までに準備を行った、赤外光と可視光を同時波長掃引する赤外可視二重共鳴和周波分光(DR-SFG)を活用し、測定を開始してきている。これにより、赤外光による官能基の振動共鳴に加え、通常のSFGで用いられるよりも短い波長の可視光を利用することで、半共鳴状態での信号増強が可能となり、したがって基本的に可視域で透明であり本質的な信号が弱い強誘電性ネマチック液晶の系でも測定が可能となった。本年度は、赤外吸収分光により明らかとなっている分子内官能基の配向性と、分極の相関関係を探るところからスタートしている。赤外吸収分光において、温度変化と相転移に応じて極性官能基であるシアノ基やニトロ基の振動モードにわずかな周波数シフトが見られ、これらの分子長軸方向の相互作用が相転移に関連している可能性が示唆された。
これに加え、本年度は軟X線を用いた炭素K端吸収測定を行った。前年度は、炭素K端による共鳴X線散乱を用いた強誘電性の構造解析を計画通り行っていたが、散乱条件を探索する過程において軟X線吸収スペクトルに強誘電相転移に伴う信号変化が生じることに気がついた。これは当初の研究計画では予想されていなかったが、本研究の目的である強誘電性の起源追求のために有用な情報を与えると考えられるため、これを引き続いて行うこととした。本年度は、分子化学研究所UVSORの軟X線測定系を用いて、温度変化に伴う炭素K端吸収の変化をスペクトルとともに測定し、解析を行った。真空中で温度変化測定を行う専用のホットステージを用い、吸収スペクトルの温度依存性を測定したところ、長軸方向の相互作用に対応していると思われるs軌道由来の吸収ピークに顕著な変化が見られた。この挙動は、短軸方向の相互作用が強くなる通常のネマチック液晶とは逆の傾向であることを見だした。また、このことは上記、振動モードにおいて観測される長軸方向の相互作用が強くなることと矛盾しない。

Strategy for Future Research Activity

測定については、次年度も引き続いて和周波発生分光(SFG)や共鳴X線散乱(RSoXS)、炭素K端X線吸収分光などを行ってゆく。SFGでは、特に個別の官能基の配向と分極の方向との相関、分極スイッチング下における信号変化などを調べてゆくことで分子自身の構造と応答性の関係を議論してゆく。RSoXSについては、現状では予想したクラスターのような構造を拾うことはできていないため本年度もこれを継続して行うが、一方で近いセットアップを用いた炭素K端X線吸収分光測定によって分子間の相互作用を解析できることが明らかとなってきており、この測定も同時に行ってゆく。
次年度はさらに、以上の実験によって得られた分子配向、その局所揺らぎや弾性変形による極性構造、分子間の相互作用に関する情報をもとに、物理的な安定化機構の記述を試みることで、強誘電性ネマチック液晶の完全な理解を目指す。このために、得られた揺らぎや弾性変形を特徴付ける粘弾性の異方性を測定する。具体的には、動的光散乱法やレオロジー(粘弾性)測定によって弾性係数テンソル、複素粘性率を温度の関数として評価し、これに双極子相互作用による寄与を加えることで、得られた構造による自由エネルギーを計算し、分極安定化の妥当性を評価する。これにより、粘弾性のある液晶性、ひいてはソフトマター系における強誘電性の実現に必要な因子を同定する。本実験では、電場下のレオロジー測定など、新しい物性の開拓も行ってゆく。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (33 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 7 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Transformation of polar nematic phases in the presence of an electric field2024

    • Author(s)
      Emelyanenko A. V.、Rudyak V. Yu.、Shvetsov S. A.、Araoka F.、Nishikawa H.、Ishikawa K.
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 109 Issue: 1 Pages: 014701-014701

    • DOI

      10.1103/physreve.109.014701

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mechano-chemical synthesis of liquid crystal materials: an easy method towards fast, simple and almost solvent-free molecular screening2024

    • Author(s)
      Nishikawa Hiroya、Kwaria Dennins、Kuwayama Motonobu、Nihonyanagi Atsuko、Araoka Fumito
    • Journal Title

      Liquid Crystals

      Volume: 51 Issue: 13-14 Pages: 1-13

    • DOI

      10.1080/02678292.2024.2319629

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reconfigurable spatially-periodic umbilical defects in nematic liquid crystals enabled by self-organization2023

    • Author(s)
      Sasaki Yuji、Araoka Fumito、Orihara Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 56 Issue: 45 Pages: 453001-453001

    • DOI

      10.1088/1361-6463/aced42

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reconfigurable Photonic Crystal Reversibly Exhibiting Single and Double Structural Colors2023

    • Author(s)
      Zhan Yi‐Yang、Ogawa Daisuke、Sano Koki、Wang Xiang、Araoka Fumito、Sakai Nobuyuki、Sasaki Takayoshi、Ishida Yasuhiro
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 62 Issue: 52

    • DOI

      10.1002/anie.202311451

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Rapid, solvent-minimized and sustainable access to various types of ferroelectric-fluid molecules by harnessing mechano-chemical technology2023

    • Author(s)
      Nishikawa Hiroya、Kuwayama Motonobu、Nihonyanagi Atsuko、Dhara Barun、Araoka Fumito
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry C

      Volume: 11 Issue: 37 Pages: 12525-12542

    • DOI

      10.1039/d3tc02212a

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Field-induced second-harmonic generation induced by distorted soft chiral crystal2023

    • Author(s)
      Chen Hui-Yu、Araoka Fumito、Lee Fang-Yu、Lee Chi、Chen Jui Jiun
    • Journal Title

      Journal of Physics D: Applied Physics

      Volume: 56 Issue: 12 Pages: 125303-125303

    • DOI

      10.1088/1361-6463/acbe09

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Circularly Polarized Light Emission from Nonchiral Perovskites Incorporated into Nanoporous Cholesteric Polymer Templates2023

    • Author(s)
      Choi Yong-Jun、Lee Jae-Jin、Park Jun-Sung、Kang Haeun、Kim Minju、Kim Jeongwon、Okada Daichi、Kim Dong Ha、Araoka Fumito、Choi Suk-Won
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 18 Issue: 1 Pages: 909-918

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c09596

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Intra-cavity up-conversion of coherent light emission in ferroelectric nematic fluid2023

    • Author(s)
      Okada Daichi、Nishikawa Hiroya、Araoka Fumito
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering

      Volume: 12442 Pages: 28-28

    • DOI

      10.1117/12.2650194

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Emergence of paraelectric, improper antiferroelectric, and proper ferroelectric nematic phases in a liquid crystal composed of polar molecules2022

    • Author(s)
      Emelyanenko A. V.、Rudyak V. Yu.、Shvetsov S. A.、Araoka F.、Nishikawa H.、Ishikawa K.
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 105 Issue: 6

    • DOI

      10.1103/physreve.105.064701

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The effect of the structure of helical nanofilament of the B4 phase of bent-core liquid crystals on the nano-phase separation mixed with rod-like cholesteric liquid crystal mixture2022

    • Author(s)
      Y. Takanishi, F. Araoka, and H. Iwayama
    • Journal Title

      RSC Adv.

      Volume: 12 Issue: 45 Pages: 29346-29349

    • DOI

      10.1039/d2ra03316j

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Chiroptical Performances in Self-Assembled Hierarchical Nanosegregated Chiral Intermediate Phases Composed of Two Different Achiral Bent-Core Molecules2022

    • Author(s)
      Lee Jae-Jin、Kim Sangsub、Nishikawa Hiroya、Takanishi Yoichi、Iwayama Hiroshi、Kim Changsoon、Choi Suk-Won、Araoka Fumito
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 23 Issue: 23 Pages: 14629-14629

    • DOI

      10.3390/ijms232314629

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Chirality induced magnetoresistance due to thermally driven spin polarization2022

    • Author(s)
      62.K. Kondou, M. Shiga, S. Sakamoto, H. Inuzuka, A. Nihonyanagi, F. Araoka, M. Kobayashi, S. Miwa, D. Miyajima1, and Y. Otani
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Issue: 16 Pages: 7302-7307

    • DOI

      10.1021/jacs.2c00496

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nano-clustering mediates phase transitions in a diastereomerically-stabilized ferroelectric nematic system2022

    • Author(s)
      Nishikawa Hiroya、Sano Koki、Kurihara Saburo、Watanabe Go、Nihonyanagi Atsuko、Dhara Barun、Araoka Fumito
    • Journal Title

      Communications Materials

      Volume: 3 Issue: 1 Pages: 89-89

    • DOI

      10.1038/s43246-022-00312-9

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Anisotropic fluid with photo tunable dielectric permittivity2022

    • Author(s)
      Hiroya Nishikawa, Koki Sano, Fumito Araoka
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1038/s41467-022-28763-1

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A New Class of Chiral Nematic Phase with Helical Polar Order2021

    • Author(s)
      Nishikawa Hiroya、Araoka Fumito
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 33 Issue: 35 Pages: 2101305-2101305

    • DOI

      10.1002/adma.202101305

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] メカノケミカル技術を用いた迅速・省溶媒・持続的な強誘電液晶分子スクリーニング法について2023

    • Author(s)
      西川浩矢、荒岡史人
    • Organizer
      日本液晶学会討論会
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  • [Presentation] 分子動力学シミュレーションによる強誘電性ネマチックのミクロ構造解析2023

    • Author(s)
      栗原三朗、西川浩矢、荒岡史人、石井良樹、渡辺豪
    • Organizer
      日本液晶学会討論会
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  • [Presentation] Nano-clustering over phase transitions in diastereomerically-stabilized ferroelectric nematics2023

    • Author(s)
      H. Nishikawa, F. Araoka
    • Organizer
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  • [Presentation] Near-edge X-ray absorption spectroscopy in a ferroelectric nematic liquid crystal2023

    • Author(s)
      F. Araoka, H. Nishikawa, H. Iwayama, Y. Takanishi
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      European Liquid Crystal Conference
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      Daichi Okada、Fumito Araoka
    • Organizer
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  • [Presentation] Intra-cavity up-conversion of coherent light emission in ferroelectric nematic fluid2023

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      Okada Daichi、Nishikawa Hiroya、Araoka Fumito
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  • [Presentation] Up-converted coherent light emission inside of polar nematic liquid crystalline media2023

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      Okada Daichi、Nishikawa Hiroya、Araoka Fumito
    • Organizer
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  • [Presentation] Paraelectric, antiferroelectric and ferroelectric nematic phases in a liquid crystal composed of polar molecules2022

    • Author(s)
      Emelyanenko Alexander、Rudyak Vladimir、Shvetsov Sergey、Araoka Fumito、Nishikawa Hiroya、Ishikawa Ken
    • Organizer
      International Liquid Crystal Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spatio-temporal analysis of flexoelectric polarization in liquid crystal cells using second-harmonic microscopy2022

    • Author(s)
      Shirota Koichiro、Araoka Fumito、Yamagata Yutaka、Inoue Daisuke、Sugimoto Mitsuhiro
    • Organizer
      International Liquid Crystal Conference
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  • [Presentation] A Photovariable Condenser with Enormous Capacitance Tunability Based on the Ferroelectric Nematic2022

    • Author(s)
      Hiroya Nishikawa、Koki Sano、Fumito Araoka
    • Organizer
      International Liquid Crystal Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The emerging ferroelectric nematics creating new application challenges2022

    • Author(s)
      Hiroya Nishikawa
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  • [Presentation] Coherent Up-Conversion Based on Ferroelectric Nematics - Simultaneous Intra-Cavity Optical Processes of Lasing and Frequency Doubling2022

    • Author(s)
      Fumito Araoka
    • Organizer
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  • [Presentation] Shift current generation along off-polar axis in organic-inorganic hybrid perovskites2022

    • Author(s)
      Noma Taishi、Araoka Fumito、Miyajima Daigo
    • Organizer
      13th International Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2022)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Chiral nonlinear optics of halide perovskite under light-matter strong coupling2022

    • Author(s)
      Daichi Okada、Fumito Araoka
    • Organizer
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  • [Presentation] Polar Cholesteric Liquid Crystal Phase - Its Appearance and Electro-Optic Propertie2021

    • Author(s)
      Fumito Araoka
    • Organizer
      The 21st International Meeting on Information Display (IMID 2021)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 強誘電ネマチック材料の魅力的な特徴と直近展開2021

    • Author(s)
      西川浩矢、荒岡史人
    • Organizer
      2021年 日本液晶学会討論会
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    • Invited
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    • Author(s)
      Fumito Araoka
    • Organizer
      The 18th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals (FLC2021)
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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