Miglioramento della conduttività elettrica dei cristalli liquidi mediante compositi di ossido metallico di grafene

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11688 (2023) Citare questo articolo

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Il miglioramento della conduttività elettrica dei cristalli liquidi (LC) risolve le sfide legate all'applicazione nei componenti elettronici avanzati. A questo scopo, si suggerisce l'uso di additivi costituiti da diverse nanostrutture che potrebbero dar luogo a LC funzionali. In questo articolo, varie concentrazioni di nanocomposito (GMN) di grafene (Gr)/ossido di metallo (Fe3O4) (0,0001–1 w%) sono state aggiunte alla LC nematica E7. Abbiamo scoperto che il ruolo dei fiocchi di Gr anisotropi, dei loro bordi e degli additivi di ossido di metallo decorato in superficie hanno un impatto significativo sulle proprietà elettriche di E7. Una gamma di additivi appropriati di tale nanocomposito migliora la conduttività elettrica delle LC. Questo effetto può essere ricondotto alla diminuzione della formazione di aggregati GMN nell'E7 e all'aumento del campo elettrostatico ai bordi dei fogli di Gr. Inoltre, la presenza di nanocluster di ossidi di metallo dovuti alla presenza di posti vacanti e difetti di ossigeno facilita la costruzione di reti conduttive per migliorare i percorsi di trasferimento di carica e contribuisce a una più forte interazione della superficie del Gr con specie cariche. Questi fattori possono fornire strati di Gr come momenti di dipolo e portare alla propagazione del segnale nel mezzo dielettrico. La nostra scoperta indica un percorso verso un miglioramento significativo della conduttività elettrica nella famiglia LC che può essere utile per applicazioni funzionali.

Il drogaggio di cristalli liquidi (LC) con nanomateriali rappresenta un'importante strategia per ottimizzarne le proprietà1. Le LC drogate mostrano proprietà significativamente migliorate rispetto a quelle non drogate, mentre raggiungono anche stabilità a lungo termine per applicazioni industriali2,3,4,5. È stato dimostrato che bassi carichi di vari nanomateriali con strutture zero, mono e bidimensionali disperse nei mezzi LC possono influenzare significativamente le loro proprietà fisiche, in particolare la distribuzione della carica spaziale6,7,8,9,10,11. Ad esempio, la risposta elettro-ottica e il comportamento elettrico delle LC possono essere influenzati da tale drogaggio12,13. A questo proposito, due fattori principali dei nanomateriali, vale a dire il loro rapporto superficie-volume, nonché le loro interazioni tra agenti attivi e ioni di LC, possono renderli candidati promettenti per applicazioni impegnative14.

Il miglioramento della conduttività elettrica delle LC dovuto al drogaggio può anche influenzare le loro proprietà per applicazioni più funzionali15. Fino ad oggi, ciò è stato ottenuto attraverso l'inclusione di elevate concentrazioni di nanomateriali nelle LC che possono portare all'amplificazione della conduttività ionica11 e al degrado della risposta elettro-ottica a causa della formazione di aggregati16. Inoltre, nei casi di formazione di catene e reti, l'aumento della conduttività DC può disturbare le proprietà LC. Gli studi hanno dimostrato questo effetto per le LC drogate da nanoparticelle costituite da nanotubi di carbonio, metalli e inclusioni polimeriche6,17,18,19. In alternativa, un migliore sfruttamento del comportamento dei cristalli liquidi per applicazioni impegnative richiede la comprensione dei fenomeni ionici nelle LC drogate con nanomateriali20,21 e l'identificazione di processi che portano alla purificazione delle LC con valori ottimali di nanomateriali14,15,22,23. Considerando i tentativi che portano all'ottimizzazione delle proprietà LC in alcuni campi funzionalizzando le nanoparticelle11,24,25, la purificazione insieme al miglioramento della conduttività richiede l'utilizzo di basse concentrazioni di nanomateriali nelle LC. Pertanto, i nanomateriali devono essere trattati in modo diverso in superficie26 per ottimizzare il loro ruolo efficace all’interno delle LC.

Il grafene (Gr) è uno dei nanomateriali 2D più noti in grado di manipolare le proprietà elettriche delle LC27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. L'efficacia degli strati di Gr nelle diverse fasi delle LC porta spesso a due risultati: (I) Quando i fogli di Gr si mescolano con le LC, il loro campo elettrostatico e l'effetto schermante portano alla soppressione dei comportamenti ionici come la riduzione della densità ionica, della diffusività, della conduttività, e la frequenza di rilassamento attraverso il processo di intrappolamento ionico/annichilazione della carica22; (II) L'interazione tra la struttura a nido d'ape del Gr e gli anelli benzenici delle molecole LC fa sì che i direttori LC si stabilizzino planarmente sulla superficie degli strati di Gr e si traduce in un miglioramento dell'anisotropia dielettrica38.