最新Science: 观察到极性向列相中非手性分子的螺旋排列

由非手性结构组成的自发镜像对称破缺和涌现的极性顺序是在流体中很少观察到的现象。它们分别存在于某些向列相液晶中，然而从来没有同时被观察到过。

近日，波兰华沙董布罗夫斯基军队技术学院先进技术与化学学院Przemysław Kula团队和华沙大学化学系Damian Pociecha团队在Science期刊上发表了题为“Spontaneous chiral symmetry breaking in polar fluid–heliconical ferroelectric nematic phase”的研究论文。该项研究报告了铁电向列相中非手性分子的螺旋排列，该相同时具有极性和手性。其中镜面对称的破缺导致在近红外和可见光波长范围内自发形成具有螺旋间距的螺旋结构。值得注意的是，螺旋结构的间距与可见光的波长相当，可以通过温度或弱电场的应用进行选择性反射。尽管与螺旋扭弯向列相相似，但这种手性铁电向列相是由电相互作用引起的电偶极子的非共线取向，显示出与磁系统中自旋行为的相似性。

图1材料和相序研究© 2024 AAAS

图2光学研究© 2024 AAAS

图3光衍射和选择性反射© 2024 AAAS

在非手性分子体系中已经观察到许多扭曲和螺旋结构。然而，这些结构通常是由具有弯曲形状的分子或通过引入手性添加剂或溶剂引起的。在后一种情况下，手性将反映添加剂的手性。该项工作揭示了极性向列相，其中足够强的极性序导致镜像对称性的自发破缺，而镜面对称的破缺导致在近红外和可见光波长范围内自发形成具有螺旋间距的螺旋结构。镜像对称性的自发破缺是由电偶极子相互作用引起的，因此显示出与磁系统中自旋行为的相似性。

N_TBF相（铁电扭弯向列相）的结构与扭弯向列相（N_TB）相似，但其形成机制不同。N_TBF相是由极性相互作用驱动的，而非极性N_TB相是由分子的特殊形状引起的体系弯曲弹性常数的减小所驱动的。向列相缺乏晶体结构，因此偶极子重定向的能量较低，类似于磁化容易变形的磁性系统。因此，人们可能期望在极性向列相中出现电偶极子的非共线、手性排列。然而，与磁相互作用不同，电偶极相互作用必须保持手性简并性。对于本文报道的材料，N_TBF相的螺旋结构的间距似乎是由电相互作用决定的，但手性是简并的；左旋螺旋和右旋螺旋形成的概率相等。尽管如此，该项观察为外推磁系统的概念以及极性软系统中的螺旋和天线等结构的预测奠定了基础。

原文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.adn6812