最新Science: 觀察到極性向列相中非手性分子的螺旋排列

由非手性結構組成的自發鏡像對稱破缺和涌現的極性順序是在流體中很少觀察到的現象。它們分別存在于某些向列相液晶中，然而從來沒有同時被觀察到過。

近日，波蘭華沙董布羅夫斯基軍隊技術學院先進技術與化學學院Przemys?aw Kula團隊和華沙大學化學系Damian Pociecha團隊在Science期刊上發表了題為“Spontaneous chiral symmetry breaking in polar fluid–heliconical ferroelectric nematic phase”的研究論文。該項研究報告了鐵電向列相中非手性分子的螺旋排列，該相同時具有極性和手性。其中鏡面對稱的破缺導致在近紅外和可見光波長范圍內自發形成具有螺旋間距的螺旋結構。值得注意的是，螺旋結構的間距與可見光的波長相當，可以通過溫度或弱電場的應用進行選擇性反射。盡管與螺旋扭彎向列相相似，但這種手性鐵電向列相是由電相互作用引起的電偶極子的非共線取向，顯示出與磁系統中自旋行為的相似性。

圖1材料和相序研究? 2024 AAAS

圖2光學研究? 2024 AAAS

圖3光衍射和選擇性反射? 2024 AAAS

在非手性分子體系中已經觀察到許多扭曲和螺旋結構。然而，這些結構通常是由具有彎曲形狀的分子或通過引入手性添加劑或溶劑引起的。在后一種情況下，手性將反映添加劑的手性。該項工作揭示了極性向列相，其中足夠強的極性序導致鏡像對稱性的自發破缺，而鏡面對稱的破缺導致在近紅外和可見光波長范圍內自發形成具有螺旋間距的螺旋結構。鏡像對稱性的自發破缺是由電偶極子相互作用引起的，因此顯示出與磁系統中自旋行為的相似性。

N_TBF相（鐵電扭彎向列相）的結構與扭彎向列相（N_TB）相似，但其形成機制不同。N_TBF相是由極性相互作用驅動的，而非極性N_TB相是由分子的特殊形狀引起的體系彎曲彈性常數的減小所驅動的。向列相缺乏晶體結構，因此偶極子重定向的能量較低，類似于磁化容易變形的磁性系統。因此，人們可能期望在極性向列相中出現電偶極子的非共線、手性排列。然而，與磁相互作用不同，電偶極相互作用必須保持手性簡并性。對于本文報道的材料，N_TBF相的螺旋結構的間距似乎是由電相互作用決定的，但手性是簡并的；左旋螺旋和右旋螺旋形成的概率相等。盡管如此，該項觀察為外推磁系統的概念以及極性軟系統中的螺旋和天線等結構的預測奠定了基礎。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.adn6812