自发手性极性液晶中的铁电与亚铁电切换机制研究

研究人员针对自发手性极性液晶中螺旋结构对铁电性能的调控机制展开研究，通过化合物1和2的对比实验，首次发现SmCPH相具有伪亚铁电（pseudo-ferrielectric）切换特性，而NTBF相呈现无滞后阈值响应。该成果为开发新型软物质铁电器件提供了理论依据，发表于《Nature Communications》。

　　

液晶材料中的自发对称性破缺现象一直是凝聚态物理和材料科学的前沿课题。传统铁电液晶如手性SmC*相需依赖分子手性中心实现极性，而2017年发现的铁电向列相（N_F）首次在非手性棒状分子中实现了体相极性。更令人振奋的是，近年发现的N_TBF和SmC_P^H相不仅打破反演对称性，还自发形成螺旋结构，为研究软物质中的拓扑缺陷与极性调控提供了全新平台。

英国利兹大学（University of Leeds）的Richard J. Mandle团队通过系统设计含1,3-二氧六环结构的液晶分子，发现化合物1和2分别通过SmA_F-SmC_P^H和N_TBF-SmC_P^H两种路径形成螺旋相。研究采用偏振光学显微镜（POM）、X射线散射和电流响应测量等技术，首次揭示SmC_P^H相具有独特的伪亚铁电切换行为——其电流响应曲线呈现"倾斜峰"和"极化反转峰"双峰结构，对应分子倾斜角滞后恢复和极性反转两个过程。

主要技术方法

研究通过差示扫描量热法（DSC）分析相变焓，采用平面取向液晶盒结合Berek补偿器测量双折射，利用电流反转技术表征自发极化强度，并通过小角/广角X射线散射（SAXS/WAXS）解析分子排列。所有化合物均经核磁共振（NMR）和高分辨质谱（HRMS）验证结构。

研究结果

材料特性

化合物1的SmC_P^H相在1.6μm薄盒中呈现周期性条纹（~1.2μm），而厚盒（20μm）则形成明显缺陷线。化合物2的SmC_F相冷却时产生强散射纹理，但熔融态呈单畴结构，暗示螺旋结构在相变中的塑性变形。

电光响应

面内电场实验显示，SmC_P^H相的极性反转伴随双折射率跃升（Δn从0.06增至0.1），且存在明显滞后；而N_TBF相的倾斜角变化无阈值且无滞后，证实前者具有伪亚铁电特性。

相变动力学

化合物3的SmC_P^H-N_F相变为一级相变，边界处出现300μm预过渡区，螺旋间距从920nm骤降至600nm，表明螺旋结构可诱导近邻N_F相产生预过渡性螺旋序。

讨论与意义

该研究首次阐明SmC_P^H相的三重相变路径依赖特性：从SmA_F相形成时呈现连续二阶相变，从N_TBF相形成时伴随弱一级相变，而从N_F相直接转变时则表现为强一级相变。这种多样性为理解螺旋极性相的成核机制提供了新视角。

更具突破性的是，团队发现SmC_P^H相的伪亚铁电响应源于螺旋结构对极性的部分补偿作用——移除分子倾斜会突然增加净极化强度，这种可逆的场致相变行为与固体铁电体的"可约亚铁电性"概念形成有趣类比。该发现为开发具有多稳态响应的柔性光电器件开辟了新途径，未来或可应用于低能耗显示技术和自适应光学系统。

研究同时指出，N_TBF相虽具有相同基态但无切换滞后，说明螺旋结构的动力学行为高度依赖其介观组织方式。这些发现被发表于《Nature Communications》，为探索更复杂的极性液晶拓扑结构（如Nishikawa近期报道的扭曲极性smectic相）奠定了理论基础。