对称型液晶二聚体末端极性取代基的光物理特性与介晶行为研究：合成、DFT计算及半导体潜力探索

本研究针对极性末端取代基对液晶二聚体性能的影响，设计合成了一系列含F、NO2、CF3和CN的三环对称二聚体。通过光物理分析、介晶行为表征及DFT计算，发现4FV-6在固态薄膜中具有最低光学带隙（1.9 eV），所有二聚体均显示宽温域互变向列相（NTB），其中含三氟甲基的二聚体热稳定性最优。该研究为开发新型有机半导体和铁电液晶材料提供了理论依据。

　　

液晶材料作为软物质科学的重要分支，其独特的自组装特性和光电响应能力在显示技术、传感器等领域具有广泛应用。近年来，具有极性末端取代基的液晶二聚体因其特殊的铁电性（Ferroelectricity）和光学特性成为研究热点。传统低分子量液晶材料存在相变温度范围窄、光电响应单一等问题，而二聚体通过柔性间隔基（Flexible spacer）连接两个介晶单元，可调控分子排列方式，产生如扭曲弯折向列相（Twist-bend nematic, N_TB）和铁电向列相（Ferroelectric nematic, N_F）等新颖介晶相。然而，极性末端基团对二聚体光物理行为与介晶稳定性的影响机制尚不明确。

针对这一科学问题，印度科学教育与研究学院（IISER Kolkata）的Banti Baishya等研究人员设计合成了四种含不同极性末端基团（F、NO₂、CF₃和CN）的对称型三环液晶二聚体4XV-6，系统研究了其光物理特性、热稳定性及介晶行为，并结合密度泛函理论（DFT）揭示了分子构效关系。该成果发表于《Journal of Molecular Liquids》，为开发新型功能性液晶材料提供了重要参考。

研究采用紫外-可见光谱、荧光光谱、差示扫描量热法（DSC）和偏光显微镜（POM）表征材料性能，通过DFT计算优化分子构型并分析电子结构。热重分析（TGA）评估热稳定性，量子产率测试探究溶剂极性影响。

光物理特性：所有二聚体在氯仿溶液中均显示260 nm和307-311 nm的特征吸收峰，其中4NO₂V-6在389 nm处出现弱宽峰。斯托克斯位移达8353-11912 nm，表明激发态与基态显著结构差异。4FV-6在固态薄膜中光学带隙最低（1.9 eV），接近半导体材料特性。

热稳定性：CF₃取代的二聚体4CF₃V-6热分解温度最高（371-495°C），而CN取代的4CNV-6稳定性最低（349-457°C），表明三氟甲基能有效增强分子热稳定性。

介晶行为：除4FV-6显示N-N_x相序列外，其余二聚体均呈现宽温域互变向列相。氟取代降低清亮点温度，而CF₃促进分子平行排列，这与DFT计算的偶极矩分析一致——4CNV-6纵向偶极矩最大（6.43 D），4NO₂V-6亲电性最强。

DFT分析：优化构型显示二聚体呈棒状结构，二面角φ₁/φ₂为-40.6°至-47.3°。含时DFT（TDDFT）证实溶剂极性导致吸收光谱红移，4CNV-6最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占分子轨道（LUMO）能隙最小（2.72 eV），与实验数据吻合。

该研究通过分子工程策略阐明极性末端基团对液晶二聚体性能的调控规律：CF₃提升热稳定性，CN增强极性，F拓展介晶相范围。4FV-6的低带隙特性为有机半导体开发提供新思路，而N_F相的铁电行为可应用于低阈值电压电光器件。未来可通过调整间隔基长度与介晶单元对称性，进一步优化材料性能。研究首次系统比较不同极性基团对三环对称二聚体的多维度影响，为功能性液晶材料设计建立了可预测的构效关系模型。