Amélioration de la conductivité électrique des cristaux liquides par les composites d'oxyde métallique de graphène

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11688 (2023) Citer cet article

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L’amélioration de la conductivité électrique des cristaux liquides (LC) évite les défis liés à leur application dans les composants électroniques avancés. Dans cette optique, il est suggéré d’utiliser des additifs constitués de différentes nanostructures susceptibles d’aboutir à des LC fonctionnelles. Dans cet article, diverses concentrations de nanocomposite graphène (Gr)/oxyde métallique (Fe3O4) (GMN) (0,0001 à 1 % en poids) ont été ajoutées à la LC nématique E7. Nous avons constaté que le rôle des flocons de Gr anisotropes, de leurs bords ainsi que des additifs d'oxyde métallique décorés en surface ont un impact significatif sur les propriétés électriques de E7. Une gamme d'additifs appropriés d'un tel nanocomposite améliore la conductivité électrique des LC. Cet effet peut être retracé par la diminution de la formation d'agrégats GMN dans l'E7 et l'augmentation du champ électrostatique aux bords des feuilles Gr. De plus, la présence de nanoclusters d'oxyde métallique en raison de la présence de lacunes et de défauts d'oxygène facilite la construction d'un réseau conducteur pour améliorer les voies de transfert de charge et contribue à une interaction plus forte de la surface Gr avec les espèces chargées. Ces facteurs peuvent fournir des couches Gr sous forme de moments dipolaires et conduire à la propagation du signal dans le milieu diélectrique. Notre découverte ouvre la voie à une amélioration significative de la conductivité électrique dans la famille LC, ce qui peut être utile pour les applications fonctionnelles.

Le dopage des cristaux liquides (LC) avec des nanomatériaux constitue une stratégie importante pour ajuster leurs propriétés1. Les LC dopés présentent des propriétés considérablement améliorées par rapport à leurs homologues non dopés, tout en atteignant également une stabilité à long terme pour les applications industrielles2,3,4,5. Il a été démontré que de faibles charges de divers nanomatériaux présentant des structures nulles, unidimensionnelles et bidimensionnelles dispersées dans des milieux LC peuvent affecter de manière significative leurs propriétés physiques, en particulier la distribution des charges d'espace6,7,8,9,10,11. Par exemple, la réponse électro-optique ainsi que le comportement électrique des LC peuvent être influencés par un tel dopage12,13. À cet égard, deux facteurs majeurs des nanomatériaux, à savoir leur rapport surface/volume, ainsi que leurs interactions entre agents actifs et ions de LC peuvent en faire des candidats prometteurs pour des applications exigeantes14.

L’amélioration de la conductivité électrique des LC due au dopage peut également influencer leurs propriétés pour des applications plus fonctionnelles15. À ce jour, cela a été réalisé grâce à l’inclusion de concentrations élevées de nanomatériaux dans les LC, ce qui peut conduire à l’amplification de la conductivité ionique11 et à la dégradation de la réponse électro-optique due à la formation d’agrégats16. De plus, dans les cas de formation de chaînes et de réseaux, l’amélioration de la conductivité DC peut perturber les propriétés LC. Des études ont montré cet effet pour les LC dopées par des nanoparticules constituées de nanotubes de carbone, de métaux et d'inclusions polymères6,17,18,19. Alternativement, une meilleure exploitation du comportement des cristaux liquides pour des applications exigeantes nécessite une compréhension des phénomènes ioniques dans les LC dopées aux nanomatériaux20,21 et l'identification des processus conduisant à la purification des LC avec des valeurs optimales de nanomatériaux14,15,22,23. Compte tenu des tentatives conduisant à l’optimisation des propriétés des LC dans certains domaines en fonctionnalisant les nanoparticules11,24,25, la purification ainsi que l’amélioration de la conductivité nécessitent l’utilisation de faibles concentrations de nanomatériaux dans les LC. Par conséquent, les nanomatériaux doivent être traités en surface différemment26 pour optimiser leur rôle efficace au sein des CL.

Le graphène (Gr) est l'un des nanomatériaux 2D bien connus capables de manipuler les propriétés électriques des LC27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37. L'efficacité des couches Gr dans différentes phases des LC conduit souvent à deux résultats : (I) Lorsque les feuilles Gr se mélangent avec des LC, leur champ électrostatique et leur effet d'écran conduisent à la suppression des comportements ioniques tels que la réduction de la densité ionique, de la diffusivité, de la conductivité, et la fréquence de relaxation grâce au processus de piégeage des ions/annihilation de charge22 ; (II) L'interaction entre le motif en nid d'abeilles de Gr et les cycles benzéniques des molécules LC provoque la stabilisation planaire des directeurs LC à la surface des couches de Gr et entraîne l'amélioration de l'anisotropie diélectrique .