Numerical study on ferroelectric nematic liquid crystal of rod molecules

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03486
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Araki Takeaki 京都大学, 理学研究科, 准教授 (20332596)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 強誘電性ネマチック相 / 全原子分子動力学シミュレーション / 分子モデリング

Outline of Final Research Achievements

We study the physical mechanism of ferroelectric nematic phase by means of quantum chemical calculation and all-atom molecular dynamics simulation. By simulating systems containing 1000 to 2000 molecules of the DIO molecule, we confirmed the spontaneous generation of ferroelectric order. When we performed calculations on DIO molecular systems without charge for comparison, we found that ferroelectric order did not manifest, indicating the contribution of electrostatic interactions to the manifestation of this phase. However, it was found that the contribution of the charge distribution along the molecular long axis alone could not explain the ferroelectric order. Detailed investigation of intermolecular correlation functions revealed that components of the charge distribution perpendicular to the molecular long axis, which are not usually considered, contribute to the manifestation of ferroelectric order.

Free Research Field

ソフトマター物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

強誘電性液晶とは強誘電性を示す液晶相であり、期待される有用性から多くの研究がなされてきた。一方近年、西川らやMandleらによって主軸方向に分極を持つ強誘電性ネマチック相の存在を示唆する実験結果が報告された。しかしながら、その物理機構については分からないことが多く、早急な解明が望まれている。我々の研究は、強誘電秩序の発生において分子の形状はあまり重要ではなく、電荷の分布、特に長軸に垂直な成分の相関が重要な寄与を及ぼすことを明らかにした。この知見は今後の分子モデリングに対し極めて有用であると考えている。