Un cristallo liquido ad alta birifrangenza per obiettivi con ampia apertura

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14603 (2022) Citare questo articolo

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Questo lavoro presenta l'applicazione di una miscela sperimentale di cristalli liquidi nematici (LC) (1929) in una lente ad ampia apertura. Il materiale LC è composto da composti di derivati ​​terfenilici e bifenilici con un gruppo terminale isotiocianato e sostituenti laterali fluorurati. La sostituzione con un gruppo isotiocianato fortemente polare e un nucleo rigido aromatico fornisce un accoppiamento \(\pi\)-elettronico, fornendo un'elevata birifrangenza (\(\Delta n = 0,3375\) a 636 nm e 23 °C) e una bassa viscosità (\ (\eta\) = 17,03 mPa·s). Inoltre mostra valori elevati di birifrangenza anche nel vicino infrarosso (0,318 a 1550 nm). Il processo di sintesi è semplice quando si confrontano materiali con temperature di fusione elevate. Le eccellenti proprietà di questa miscela LC sono dimostrate in una lente sintonizzabile LC ad ampia apertura basata su una struttura di elettrodi di trasmissione. Grazie alle particolari caratteristiche di questa miscela, il potere ottico è elevato. L'elevata birifrangenza rende questo LC di specifico interesse per lenti e modulatori e dispositivi ottici di fase, sia nella regione del visibile che dell'infrarosso.

I cristalli liquidi (LC) con birifrangenza bassa/media (\(\Delta\)n = 0,09/0,12) sono ancora utilizzati nelle applicazioni di visualizzazione1,2,3. La loro birifrangenza è sufficiente per i grandi schermi televisivi e i monitor dei computer, per gli schermi piatti più piccoli dei telefoni cellulari, dei dispositivi automobilistici e dei proiettori4. Grazie alla generazione di nuove miscele LC e alla riduzione dello spessore dei pixel (da 5 a 3 µm), i tempi di risposta sono stati ridotti a pochi millisecondi. Nonostante ciò, gli attuali display LC richiedono tempi di commutazione inferiori ai millisecondi, quindi sono necessari LC altamente birifrangenti (\(\Delta n>0,3\)). Altre applicazioni che richiedono questa proprietà sono le frequenze più basse dello spettro elettromagnetico (dagli infrarossi fino a THz e GHz), poiché lo sfasamento ottico prodotto dall'LC è direttamente proporzionale alla sua birifrangenza e alla frequenza di lavoro. Ad esempio, sono stati proposti come mezzo attivo in metamateriali e metasuperfici5,6, THz7,8,9, GHz10,11 e dispositivi a infrarossi12.

Nell'ultimo decennio, lo studio delle LC comuni in questi intervalli spettrali ha attirato l'attenzione, ad esempio E7, BL037, MDA-98-1602, LCMS-107, GT3-23001 e 182513. Inoltre, diversi romanzi, miscele altamente birifrangenti, hanno stato proposto. Per raggiungere questo obiettivo, le molecole coniugate linearmente sono i candidati preferiti. La lunghezza della coniugazione può essere estesa da legami multipli o anelli insaturi nel nucleo rigido14,15. Una revisione completa può essere trovata in4, dove vengono esaminati gli LC altamente birifrangenti con anisotropia dielettrica positiva. Le proprietà mesogeniche e le proprietà fisico-chimiche (viscosità, birifrangenza, indici di rifrazione, anisotropia dielettrica e costanti elastiche) dei composti che sono derivati ​​ciano, fluoro e isotiocianato di bifenile, terfenile, quaterfenile, tolano, fenil tolano, fenil etinil tolano e vengono confrontati il ​​bifeniltolano, con una birifrangenza compresa tra 0,2 e 0,54.

Il campo è ancora molto attivo e, più recentemente, sono stati segnalati diversi lavori. Ad esempio, in 16, gli autori hanno sintetizzato 20 miscele LC, bistolani sia simmetrici che non simmetrici con catena alchilica, alcossilica e alchilsulfanilica terminale e gruppo metile o etile laterale. I composti con una fase nematica in un ampio intervallo di temperature hanno mostrato un elevato valore di birifrangenza (> 0,4). Valori simili sono stati mostrati anche sulla base di composti a base di tieno[3,2-b]tiofene17, tieno[3,2-b]tiofene con un triplo legame – C \(\equiv\) C – (0,40–0,48)18 e composti mesogenici terminati con benzossazolo con sostituente fluoro in diverse posizioni (0,45)19. Valori più elevati (0,66) sono stati dimostrati anche nei composti LC con gruppi isotiocianato e naftile. I punti di fusione e i valori di entalpia di questi composti LC erano superiori a quelli dei corrispondenti composti con il gruppo fenile20. Infine, è stata dimostrata una birifrangenza ultraelevata in alcuni composti dell'isotiocianato bifenilbistolano (0,7–0,8)14.