趙秀虎，黃明俊*，Satoshi AYA*

（1.華南理工大學(xué) 華南軟物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)高等研究院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 前沿軟物質(zhì)學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

液晶（Liquid crystal，LC）是一類介于液態(tài)與固態(tài)之間的特殊物質(zhì)狀態(tài)。在不同的液晶狀態(tài)中，向列相液晶（Nematic，N）最為接近液態(tài)，流動(dòng)性也最高。向列相中的分子排列具有取向秩序而沒有位置秩序，其有序性可以用指向矢n→來(lái)表示，n→代表液晶分子本征偶極矩的矢量方向。在N 型液晶中，指向矢n→和-n→的狀態(tài)不可區(qū)分，分子排列具有頭尾等價(jià)性，因此在宏觀上并沒有體現(xiàn)出極化，屬于典型的順電性材料。N 型液晶在正交偏光顯微鏡下呈紋影（Schlieren）織構(gòu)。N 型向列相液晶結(jié)合了長(zhǎng)程取向有序和高流動(dòng)性的特點(diǎn)，分子取向?qū)﹄妶?chǎng)、磁場(chǎng)和表面結(jié)構(gòu)等微弱的外部刺激高度敏感［1-3］，廣泛應(yīng)用于液晶顯示器（LCD）［4-7］和柔性電子器件領(lǐng)域［8-9］。此外，N 型液晶近年來(lái)在光電器件［10-13］、非線性光學(xué)［14-18］和其他功能材料［19-22］中的應(yīng)用也在迅速發(fā)展。

隨著科技水平和生活水平的提高，人們對(duì)快速響應(yīng)顯示器和高端柔性電子器件的需求日益增長(zhǎng)。研發(fā)響應(yīng)更加快速的液晶器件一直是研究者們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的N 型液晶響應(yīng)速度的進(jìn)一步提升接近瓶頸。在各種其他液晶相中，人們的目光也重點(diǎn)關(guān)注過(guò)具有鐵電性的液晶相。1916 年，Born 提出液晶中存在鐵電性的設(shè)想［23］。1974 年，Meyer 在手性層狀近晶相中發(fā)現(xiàn)鐵電性［24］。鐵電層狀近晶相液晶具有外場(chǎng)響應(yīng)速度快［25-26］、驅(qū)動(dòng)電壓低［27-28］、光電［29-32］及非線性光學(xué)效應(yīng)［33-35］優(yōu)異等特性，在液晶顯示［36］和激光倍頻［37］等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但鐵電層狀近晶相液晶在結(jié)構(gòu)上具有更高的有序度而呈半固態(tài)，會(huì)限制其實(shí)際應(yīng)用的開發(fā)。在此后的幾十年里，全世界的科學(xué)家基于鐵電層狀近晶相液晶做出很多富有成效的研究［38-41］，例如表面穩(wěn)定型鐵電液晶［42］、聚合物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定型鐵電液晶［43］等。直到2017年，Nishikawa等人［44］和Mandle等人［45］分別在兩種不同體系的向列相中發(fā)現(xiàn)了鐵電性，開啟了凝聚態(tài)科學(xué)與技術(shù)的新篇章。

本文將視角集中在鐵電向列相液晶研究領(lǐng)域，首先回顧了鐵電向列相液晶的發(fā)展史，然后重點(diǎn)闡述了鐵電向列相液晶與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特征物性，最后總結(jié)并展望了鐵電向列相液晶的應(yīng)用前景。

2 鐵電向列相液晶的發(fā)展史

早在1916 年，著名物理學(xué)家Born［23］提出過(guò)一個(gè)有趣的液晶理論。他設(shè)想了一類特殊鐵電流體的存在性：棒狀分子構(gòu)成的電偶極子指向矢不再是沿著n→和-n→等概率分布，而是自發(fā)定向排列，產(chǎn)生具有鐵電堆積秩序的向列相液晶結(jié)構(gòu)。為此，單個(gè)液晶分子的偶極矩μ應(yīng)該足夠強(qiáng)，以便它們的偶極-偶極相互作用能夠承受熱波動(dòng)>kBT，其中V是分子體積，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度。對(duì)于典型的液晶體系（V=1 nm3，ε=10），通過(guò)該公式計(jì)算認(rèn)為μ>1.902×10-29C·m（6 D）時(shí)，鐵電秩序在室溫下是穩(wěn)定的［23，46］。然而，Born 提出的鐵電向列相秩序（圖1（b））有別于向列相液晶形成的普遍機(jī)制，在當(dāng)時(shí)并沒有被接受。在實(shí)驗(yàn)上，人們也一直沒有觀察到這類特殊鐵電極性狀態(tài)的存在。盡管棒狀液晶分子具有縱向或橫向偶極子，但因其頭尾等效方向和繞分子長(zhǎng)軸的自由旋轉(zhuǎn)可以分別防止縱向極化和橫向極化，使得液晶普遍表現(xiàn)為非極性。

圖1 （a）傳統(tǒng)向列相中的分子排列；（b）鐵電向列相中的分子排列。Fig.1 （a）Molecular arrangement in conventional nematic phase；（b）Molecular arrangement in ferroelectric nematic phase.

直到1974 年，人們首次在液晶材料里發(fā)現(xiàn)了鐵電性的存在，即手性層狀相液晶材料（Chiral Smetic C，SmC*）。Meyer［24］根據(jù)對(duì)稱性的考慮，預(yù)言由手性分子組成的近晶C 相能夠呈現(xiàn)鐵電性，并與Keller 等人合作，合成了第一個(gè)鐵電液晶材料——對(duì)癸氧基亞芐基對(duì)氨基-2-甲基肉桂酸丁酯（DOBAMBC，圖2（a））。圖2（b）是SmC*的分子排列示意圖。在SmC*相中，分子在層狀結(jié)構(gòu)中具有位置排序，指向矢n→相對(duì)于層法線以一定角度傾斜。手性導(dǎo)致從上一層到下一層的方位角扭曲，使分子長(zhǎng)軸產(chǎn)生沿著層法線方向的螺旋扭曲，形成具有螺距pc的螺旋結(jié)構(gòu)。SmC*相的另一個(gè)手性本體特性是沿每個(gè)近晶層的C2對(duì)稱軸（極軸）取向的自發(fā)電極化Ps。通過(guò)電光實(shí)驗(yàn)的觀察，證明了由手性分子組成的SmC*相具有自發(fā)的極化，呈現(xiàn)出鐵電性［47］。鐵電液晶的發(fā)現(xiàn)在液晶研究領(lǐng)域乃至鐵電體家族中具有里程碑意義，開創(chuàng)了新型液晶材料與器件研究的新方向［48］。此后的30 多年間，人們確立并開發(fā)了多種系列的鐵電性層狀相液晶材料，同時(shí)積累了眾多重要的鐵電液晶的凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)理論和應(yīng)用開發(fā)技術(shù)［49-53］。然而，SmC*相液晶材料因其有序度更高的層狀結(jié)構(gòu)而呈半固體態(tài)，基本上無(wú)流動(dòng)性，同時(shí)普遍具有較多缺陷結(jié)構(gòu)，在柔性光電器件以及顯示領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展受限。

圖2 （a）DOBAMBC 的分子結(jié)構(gòu)式及相變溫度［24］；（b）手性層狀近晶相的分子排列［54］。Fig.2 （a）Molecular formula and phase transition temperature of DOBAMBC［24］；（b）Molecular arrangement of chiral layered smectic phase［54］.

與此同時(shí)，人們沿著Born 的思路有了進(jìn)一步的思考，認(rèn)為傳統(tǒng)液晶中偶極-偶極相互作用太弱，無(wú)法產(chǎn)生熱力學(xué)穩(wěn)定的局部鐵電有序，而極性聚合物中各單體偶極矩高度相關(guān)且沿聚合物鏈對(duì)齊，具備極高的偶極矩值，是最有希望獲得極性有序的材料之一。Terentjev 等人［55］利用理論計(jì)算了極性聚酯中鐵電向列相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，初步驗(yàn)證了具有大偶極矩極性鏈段的聚酯中鐵電排列的可能性。Watanabe 等人［56-57］于1996 年利用二次諧波產(chǎn)生（SHG）發(fā)現(xiàn)了極性棒狀芳香族共聚酯（4-羥基苯甲酸（HBA）和6-羥基-2-萘甲酸（HNA）共聚合成，如圖3（a）所示，具有局部的極性結(jié)構(gòu)。在共聚酯的向列相液晶狀態(tài)中，只有較高分子量樣品中能觀察到較強(qiáng)的SHG 信號(hào)，且探測(cè)到的極性方向與聚合物分子鏈方向基本平行。他們由此提出，源于強(qiáng)偶極-偶極相互作用的局部鐵電有序應(yīng)該存在于這些極性棒狀聚合物中，但缺乏直觀的實(shí)驗(yàn)觀察。另一方面，很多學(xué)者也構(gòu)建了簡(jiǎn)單模型，利用平均場(chǎng)理論對(duì)偶極相互作用進(jìn)行了理論分析［58-61］。Petschek 等人［59］使用平均場(chǎng)理論研究分子之間的偶極相互作用，提出了具有足夠大永久偶極矩（μ>1.735×10-29C·m（5.2 D））的盤狀分子可以形成鐵電向列相的可能性；同時(shí)預(yù)測(cè)了各向同性、向列相、鐵電向列相三者的相變關(guān)系（圖3（b）），縱坐標(biāo)中的b/c是平均場(chǎng)模擬中與相變有關(guān)的可變常數(shù)，橫坐標(biāo)為溫度。Lee 等人［58］建立了Onsager 形式的平均場(chǎng)模型，并預(yù)測(cè)了具有偶極相互作用硬球柱的鐵電排列。通過(guò)執(zhí)行精確的數(shù)值分析，構(gòu)建了球柱的完整相圖（圖3（c）），參數(shù)坐標(biāo)包括偶極強(qiáng)度、數(shù)密度和壓力等。該相圖中不僅包括穩(wěn)定存在的鐵電向列相，甚至預(yù)測(cè)了各向同性-向列相、向列相-鐵電向列相和各向同性-鐵電向列相等可能存在的相變行為，對(duì)于鐵電向列相液晶的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有重要啟發(fā)。2018 年，Tanaka 等人［62］進(jìn)一步深入研究了具有永久偶極類球粒子體系中的偶極相互作用，并捕捉到了鐵電與反鐵電排列的重要轉(zhuǎn)變，理論計(jì)算了其鐵電結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)及極化情況。

圖3 （a）HBA 和HNA 的極性棒狀芳香族共聚酯的分子結(jié)構(gòu)式［56］；（b）具有永久偶極矩的盤狀分子中各向同性、向列相、鐵電向列相三者的相變關(guān)系［59］；（c）具有偶極相互作用的硬球柱系統(tǒng)的相圖［58］。Fig.3 （a）Molecular structural formula of polar rod-like aromatic copolyesters of HBA and HNA［56］；（b）Phase transition relationship among isotropic，nematic and ferroelectric nematic phases in disk-shaped molecules with permanent dipole moment［59］；（c）Phase diagram of a hard sphere-column system with dipole interactions［58］.

1998年，日本科學(xué)家Watanabe等人［63］在聚（γ-芐基-L-谷氨酸-共-γ-甲基L-谷氨酸）（PBMLG）-苯甲醇（BA）的溶致膽甾相中觀察到相對(duì)強(qiáng)的二次諧波產(chǎn)生（SHG）。使用SHG 干涉測(cè)量技術(shù)，確認(rèn)SHG 的相位能通過(guò)反轉(zhuǎn)電場(chǎng)而發(fā)生反轉(zhuǎn)，清楚地表明非線性極化的切換。通過(guò)施加三角波電壓，觀察到切換電流峰值，表明存在自發(fā)極化。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明PBLMG-BA 溶致體系中的膽甾相也具有鐵電性，其中極性平面沿螺旋軸旋轉(zhuǎn)。由于溶致液晶對(duì)溶液的要求比較苛刻，從而也沒有大規(guī)模應(yīng)用。

2017 年，日本九州大學(xué)的Nishikawa 等人［44］在液晶分子DIO（圖4（a））中發(fā)現(xiàn)一種強(qiáng)極性的向列相狀態(tài)，具有極高介電常數(shù)（在103Hz 下的介電常數(shù)可達(dá)104，圖4（b）），Δε異常大，比傳統(tǒng)液晶大幾百倍，這顛覆了當(dāng)時(shí)關(guān)于液晶的基本認(rèn)知。DIO 分子在偏光顯微鏡下的織構(gòu)也十分有趣，如圖4（c）所示，高溫下表現(xiàn)出傳統(tǒng)向列相的Schelieren 織構(gòu)，低溫下呈現(xiàn)出一種新穎的沙質(zhì)織構(gòu)。同時(shí)，通過(guò)二次諧波干涉測(cè)量，證實(shí)了DIO 在較低溫度的極性相中具有類似鐵電體的極化切換現(xiàn)象。幾乎同時(shí)期，英國(guó)York 大學(xué)的Mandle 等人［45］也獨(dú)立報(bào)道了一種具有大偶極矩的楔形分子RM734（圖4（a））。與DIO 類似，RM734 在130 ℃前后呈現(xiàn)兩個(gè)截然不同的向列相狀態(tài)。這類新型向列相液晶逐漸引起世界范圍內(nèi)學(xué)者的研究興趣，尤其是這類新型向列相中分子排列、物理結(jié)構(gòu)以及形成機(jī)理等基本物理問(wèn)題［64-66］。

2020 年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)的Clark 團(tuán)隊(duì)［67］通過(guò)電光實(shí)驗(yàn)，首次證明了RM734 等形成的低溫向列相正是Born 所預(yù)測(cè)的鐵電向列相（Ferro‐electric nematic，NF）液晶。NF相是一種三維單軸向列相，具有自發(fā)的、可重新定向的局部極化特性，極化方向平行于指向矢n→。在特定表面取向條件下，NF相呈現(xiàn)出特征性的帶狀織構(gòu)（Band texture，圖4（d）），代表被分割的極性鐵電疇區(qū)，在相反電場(chǎng)作用下能觀察到極性翻轉(zhuǎn)，其極化密度可達(dá)6 μC/cm2，是有史以來(lái)在流體或玻璃材料中測(cè)得的最大值。

圖4 （a）DIO［44］和RM734［67］的分子結(jié)構(gòu)式；（b）DIO 的介電頻譜（在DIO 的介電頻譜中，M1 相在表面排列后表現(xiàn)出均勻取向，因此使用符號(hào)ε∥'和ε⊥'；然而，對(duì)于M2 和MP 相，取向并不完美，使用了ε('∥)和ε('⊥)。）［44］；（c）DIO 的偏光顯微照片［44］；（d）RM734 具有相反極性取向的鐵電疇中的Freedericksz 扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變［67］。Fig.4 （a）Molecular structural formula of DIO［44］and RM734［67］；（b）Dielectric spectrum of DIO（In dielectric spectrum of DIO，the M1 phase exhibits a uniform orientation after surface alignment，and therefore the symbols ε∥'and ε⊥'are used；however，for the M2 and MP phases，the orientation is not perfect and ε('∥)and ε('⊥)are used.）［44］；（c）Polarized light micrograph of DIO［44］；（d）Freedericksz torsional transition in ferroelectric domains with opposite polarity orientations in RM734［67］.

2021 年，我們課題組證實(shí)了一類新型的強(qiáng)極性手性向列相液晶狀態(tài)，如圖5 所示，稱為螺旋鐵電向列相（Helielectric nematic，HN*）［68］。這種螺旋鐵電向列相帶有螺旋旋轉(zhuǎn)的極性矢量，類似于螺旋磁體（Helimagnet）的電性對(duì)應(yīng)物。HN*相可看作包含多層不同極性取向的層狀結(jié)構(gòu)：每一層棒狀偶極子呈局部鐵電排列，具有特定極化方向，該極化方向在不同層間沿著螺旋軸方向旋轉(zhuǎn)2π 形成一個(gè)完整的周期P。HN*相序構(gòu)存在3 個(gè)層次秩序的耦合：（1）棒狀偶極子的頭尾或極性對(duì)稱（Polarity）；（2）棒狀偶極子的配向秩序（Ori‐entation）；（3）手性螺旋（Helicity）。螺旋鐵電向列相可以保持到室溫，并表現(xiàn)出很大的介電和非線性光學(xué)響應(yīng)。這種新的物質(zhì)狀態(tài)不僅為軟物質(zhì)拓?fù)湮锢黹_啟了一個(gè)新的研究方向，也為開發(fā)各種極性液晶器件提供了可能。

圖5 螺旋鐵電向列相的結(jié)構(gòu)示意圖及相圖［68］Fig.5 Schematic diagram and phase diagram of the helical ferroelectric nematic phase［68］

鐵電向列相（NF）液晶的發(fā)現(xiàn)不僅為探索凝聚態(tài)物理學(xué)中的奇異極性物質(zhì)狀態(tài)開辟了道路，也為開發(fā)全新的液晶技術(shù)提供了機(jī)會(huì)。然而，要推動(dòng)這些材料的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)，還有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要克服。關(guān)于極性性質(zhì)的起源，鐵電相形成的結(jié)構(gòu)和機(jī)制尚不清楚，或存在爭(zhēng)議，伴隨著結(jié)構(gòu)演化途徑的不確定性以及與常規(guī)向列相之間關(guān)系。此外，由于僅通過(guò)介電和光學(xué)非線性測(cè)量實(shí)驗(yàn)證明了上述兩種極性分子系統(tǒng)，因此不確定這種極性向列相狀態(tài)是否是普遍可及的液晶相。目前，對(duì)于鐵電向列相液晶的研究還處于起步階段，很多問(wèn)題亟需探索。

3 鐵電向列相液晶與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

2017 年，Mandle 等人［45］發(fā)現(xiàn)NF液晶RM734后，初步探究了分子結(jié)構(gòu)與NF相之間的關(guān)系，通過(guò)改變RM734 的末端基團(tuán)、側(cè)基以及酯鍵方向，獲得了幾種和RM734 具有相似性質(zhì)的分子［69］，如圖6 所示。他們初步總結(jié)了以下性質(zhì)-結(jié)構(gòu)相關(guān)性：短末端鏈（乙氧基或甲氧基）有利于NF相的形成；末端硝基是NF相必不可少的；可通過(guò)額外的氟基團(tuán)以增強(qiáng)分子偶極矩來(lái)提高液晶材料的熱穩(wěn)定性；使用其他末端極性基團(tuán)（腈、五氟硫烷基）或去除/逆轉(zhuǎn)羧酸酯（降低偶極矩）不利于NF相的形成；需要橫向“大體積”基團(tuán)才能呈現(xiàn)NF相。2021 年，Mandle 等人［70］進(jìn)一步合成了一些與RM734 在結(jié)構(gòu)上相似的液晶分子，發(fā)現(xiàn)NF相對(duì)結(jié)構(gòu)變化極為敏感。從RM734 中去除單個(gè)酯鍵或橫向甲氧基不利于NF相的形成，且無(wú)法通過(guò)進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)修改來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)，例如增加脂肪族含量或使用更復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。目前已發(fā)現(xiàn)的液晶材料大多在高溫下才能呈現(xiàn)NF相，如果能開發(fā)出室溫NF相，將極大地推動(dòng)NF相的應(yīng)用。2021 年，Atsutaka 等人［71］報(bào)告了一種在室溫下顯示出鐵電性的液晶分子1（圖6（e）），冷卻時(shí)直接從各向同性液相進(jìn)入NF相，而不是途經(jīng)傳統(tǒng)的非極性向列相。該分子在NF相呈現(xiàn)高達(dá)20 000（頻率為1 kHz）的介電常數(shù)以及較低的熔點(diǎn)，有利于加速NF相的應(yīng)用研究和器件開發(fā)。不過(guò)，該分子NF相的溫度窗口較窄（-7～20 ℃），仍需進(jìn)一步擴(kuò)展穩(wěn)定溫度區(qū)間。我們課題組在研究HN*相時(shí)發(fā)現(xiàn)，與RM734 在結(jié)構(gòu)上相似的手性分子S1、S2（圖5）和RM734 的混合比例超過(guò)30%后，雖然介電緩和向低頻移動(dòng)，但是結(jié)晶相會(huì)被抑制，這說(shuō)明HN*相也可以維持到室溫，為開發(fā)一些新的室溫器件帶來(lái)了可能［68］。

圖6 RM734 的結(jié)構(gòu)變化［69］。（a）末端基團(tuán)的長(zhǎng)度；（b）末端基團(tuán)的拉電子效應(yīng)；（c）側(cè)基；（d）連接單元的方向；（e）液晶分子1的化學(xué)結(jié)構(gòu)式［71］。Fig.6 Structural tunning of RM734［69］.（a）Length of the terminal group；（b）Electron-withdrawing effect of the terminal group；（c）Side group；（d）Direction of the linking unit；（e）Molecular structural formula of liquid crystal mole‐cule 1［71］.

為了探究鐵電向列相液晶的形成與分子結(jié)構(gòu)之間更為普適的關(guān)系，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了近50 個(gè)液晶小分子（圖7（a）），化學(xué)結(jié)構(gòu)差異較大，其中近50%的分子呈現(xiàn)出了NF液晶狀態(tài)［72］。借助密度泛函理論（DFT）和機(jī)器學(xué)習(xí)，我們首次揭示了NF相形成的普遍分子特征，如圖7（b）～（h）所示。棒狀基元偶極矩μ需要達(dá)到3.002×10-29C·m（9 D），偶極矩的方向需要偏離分子主軸一定角度（10°～30°），且分子的長(zhǎng)寬比低于2.5。其中，偶極-偶極相互作用對(duì)于NF相的穩(wěn)定非常關(guān)鍵。只有偶極矩μ足夠強(qiáng)，其偶極-偶極相互作用（大小為μ2/ε0εV，V為分子體積）才能承受熱波動(dòng)（kBT）而穩(wěn)定下來(lái)。雖然呈現(xiàn)NF相的23 個(gè)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)各異，但是在冷卻過(guò)程中都經(jīng)歷了一類典型的NF液晶相變過(guò)程：各向同性液體（Iso）→非極性N 相（Schlieren 條紋過(guò)渡到Stripe 條紋）→NF相（Band 條紋）→結(jié)晶。Mande 等人［73］最新的研究比較了兩種化學(xué)結(jié)構(gòu)相似（末端NO2和CN）的材料，表明從非極性N 相到強(qiáng)極性NF相的相變伴隨著液晶分子堆積密度的進(jìn)一步提高。

圖7 （a）合成分子庫(kù)；（b）～（h）機(jī)器學(xué)習(xí)輔助分析決定NF相形成的分子參數(shù)［72］。Fig.7 （a）Synthetic molecular library；（b）～（h）Machine learning-driven analysis of molecular parameters toward stable NF phases［72］.

我們后續(xù)以RM734 分子為模板，將主鏈型棒狀芳酯液晶從小分子擴(kuò)展到低聚物/聚合物（重復(fù)單元最高達(dá)12），μ值增加到約1.0×10-28C·m（30 D）（圖8），揭示了兩個(gè)重要結(jié)果：（1）NF相可以在所有長(zhǎng)度范圍內(nèi)的低聚物/聚合物中被觀察到，證明了鐵電向列型液晶在主鏈型棒狀芳香寡聚物/聚合物的廣泛存在性；（2）NF液晶呈現(xiàn)出一種新的生長(zhǎng)機(jī)理，從各向同性液體中以成核生長(zhǎng)的方式直接進(jìn)入NF相。而此前報(bào)道的NF相經(jīng)由非極性N 相轉(zhuǎn)變而來(lái)。這類棒狀低聚物/聚合物液晶材料中鐵電向列相液晶的發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)證了傳統(tǒng)對(duì)羥基苯甲酯基芳香主鏈液晶高分子（LCP）聚合物材料可存在局部鐵電秩序的結(jié)論［74］。

圖8 （a）主鏈LC 寡聚物/聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)；（b）不對(duì)稱液晶基元示意圖；（c）相圖［74］。Fig.8 （a）Chemical structures of main-chain LC oligomer/polymer；（b）Schematic diagram of asymmetric mesogens；（c）Corresponding phase diagrams［74］.

4 鐵電向列相液晶的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Mertelj 等人［66］使用偏光顯微鏡（POM）、動(dòng)態(tài)光散射（DLS）、廣角X 射線散射（WAXS）和小角X 射線散射（SAXS）研究了從N 相到N（SSplay nematic）相的轉(zhuǎn)變，NS相在后續(xù)研究中被證明正是NF相。他們首次提出NF相的結(jié)構(gòu)特征是指向矢呈現(xiàn)如圖9 所示的周期性展開調(diào)制。在NF相中觀察到了N 相中不存在的缺陷結(jié)構(gòu)，這表明NF相的對(duì)稱性低于普通N 相。當(dāng)接近相變時(shí)，展開向列相常數(shù)（K1）劇烈降低并趨近于0。類似于N 相到NTB相的轉(zhuǎn)變，N 相到NF相的轉(zhuǎn)變是不穩(wěn)定的變形，且分子是楔形的，從而產(chǎn)生周期性展開調(diào)制結(jié)構(gòu)，并具有鐵電相變的特征。通過(guò)觀測(cè)極性疇區(qū)的二次諧波成像，他們認(rèn)為這類展開向列相結(jié)構(gòu)的調(diào)制周期在5～10 μm 之間。Mertelj 等人提出這種展開向列相模型并用來(lái)闡述NF相的基本微觀結(jié)構(gòu)，然而目前并沒有被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，也沒有被其他學(xué)者所廣泛接受。我們認(rèn)為該結(jié)構(gòu)模型可能存在于NF相形成的一些中間狀態(tài)，而不是發(fā)育完全的NF相結(jié)構(gòu)。最近，Clark 團(tuán)隊(duì)［75］利用SAXS 確認(rèn)了一種置于NF與N 相之間的反鐵電性層狀液晶相，即Smectic ZA，其結(jié)構(gòu)與Mertelj 等人所提出的展開向列相模型一致，但Smectic ZA只是NF形成的一種前驅(qū)相，且只在DIO 分子中被觀察到。

圖9 展開向列相示意圖［66］Fig.9 Schematic diagram of the splay nematic phase［66］

揭示NF相的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于理解結(jié)構(gòu)-性質(zhì)之間關(guān)系至關(guān)重要。迄今為止，NF相的詳細(xì)結(jié)構(gòu)仍不清楚，并且該結(jié)構(gòu)是如何從具有均勻指向矢場(chǎng)的高溫非極性N 相演變而來(lái)仍存在爭(zhēng)議。為了系統(tǒng)地關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和極性之間的關(guān)系，我們綜合比較了一系列NF液晶分子在不同溫度下的POM、SHG 和介電測(cè)量值［72］。為了詳細(xì)闡述POM 觀察到的NF相織構(gòu)，我們綜合考慮了幾種可能的NF相指向矢場(chǎng)模型：兩個(gè)壁缺陷型、Bloch 型和兩個(gè)Néel 型（圖10（a））。顯然，NF相中的條帶織構(gòu)不能用單個(gè)條帶中的對(duì)稱結(jié)構(gòu)來(lái)解釋，因?yàn)槲覀冊(cè)趯?shí)驗(yàn)中無(wú)法觀察到每個(gè)極性疇區(qū)的消光區(qū)，從而將壁缺陷型和Néel II 型結(jié)構(gòu)排除在外。進(jìn)一步結(jié)合模擬（圖10（b）），發(fā)現(xiàn)包括Bloch 型缺陷在內(nèi)的其他模型與POM 觀察到的織構(gòu)也存在很大差異，只有Néel I 型模型能夠很好地再現(xiàn)各種條件下POM 觀察到的織構(gòu)。總體而言，我們的工作更清楚地闡明了NF相的堆積結(jié)構(gòu)，Néel I 型模型接近于NF相的“真實(shí)”結(jié)構(gòu)。

圖10 （a）N 相和NF相的三維模型結(jié)構(gòu)；（b）NF相條紋織構(gòu)的POM 和模擬圖［72］。Fig.10 （a）3D model structure of N phase and NF phase；（b）POM and simulation image of NF phase fringe texture［72］.

Clark 團(tuán) 隊(duì)［67］報(bào)告了RM734 在NF相溫度區(qū)間內(nèi)的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。利用RM734 的電光特性來(lái)可視化沒有外加電場(chǎng)下的永久電極化密度的織構(gòu)，由自發(fā)的對(duì)稱性破缺產(chǎn)生相反極性方向的不同疇區(qū)（圖4（d））。場(chǎng)致疇壁運(yùn)動(dòng)引起的極化反轉(zhuǎn)，充分論證了NF相具備單軸向列相排列以及平行于指向矢n→的自發(fā)、可重新定向的局部極化特征。Caimi 等人［76］通過(guò)在不同耦合強(qiáng)度和錨定方向上的摩擦和未摩擦襯底來(lái)探究鐵電向列相的表面排列，發(fā)現(xiàn)使用摩擦的聚合物表面制成的液晶盒很容易產(chǎn)生具有優(yōu)先排列的平面極化，且液晶盒存在靜電會(huì)顯著影響鐵電排序的整體均勻性。Clark 團(tuán)隊(duì)［77］后續(xù)的工作進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，表面相互作用可以矢量構(gòu)造鐵電流體的三維極化場(chǎng)。鐵電向列液晶與具有面內(nèi)極性的表面接觸時(shí)，在該界面處產(chǎn)生優(yōu)先面內(nèi)取向的極化，這是無(wú)需外加電場(chǎng)即可形成高極性流體或玻璃態(tài)單疇的有效途徑。通過(guò)在平面上對(duì)聚酰亞胺薄膜進(jìn)行單向拋光以產(chǎn)生四極面內(nèi)各向異性，還可以在表面誘導(dǎo)宏觀面內(nèi)極性排序，從而能夠在液晶盒內(nèi)形成各向異性的指向矢結(jié)構(gòu)，包括均勻和扭曲狀態(tài)。Rudquist［78］提出了一種直接驗(yàn)證NF相的簡(jiǎn)單方法，他使用兩片分別進(jìn)行線性和圓形摩擦的基板制成液晶盒，通過(guò)液晶盒中向錯(cuò)線的方向來(lái)區(qū)分N 相和NF相，如圖11（a）和（b）所示。在這種特殊的幾何結(jié)構(gòu)中，N 相沿線性摩擦方向形成兩條向錯(cuò)線，而NF相從圓形摩擦中心開始垂直于線性摩擦方向只形成一條向錯(cuò)線，如圖11（c）和（d）所示，在POM 中觀察到了RM734在N 相和NF相中的向錯(cuò)線。

圖11 圓形摩擦液晶盒中（a）N 相和（b）NF 相液晶的示意圖（R 和L 分別表示右手和左手扭曲區(qū)域）；RM734 在圓形摩擦液晶盒中（c）N 相和（d）NF相的向錯(cuò)線［78］。Fig.11 Schematic diagrams of（a）N phase and（b）NF phase liquid crystals in a circular rubbed cell（R and L denote right-and left-handed twist regions，re‐spectively）；Disclination lines of RM734 in a circular rubbed cell in（c）N phase and（d）NF phase［78］.

5 鐵電向列相液晶的特征物性

5.1 巨大的介電常數(shù)

與指向矢n→不同，電極化是極性矢量。在N～NF相變期間，疇區(qū)彼此獨(dú)立形成。由于極性排序，NF相對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)比N相高的多。低至102V/m 的外加電場(chǎng)足以克服NF相的取向彈性并產(chǎn)生扭矩τP=PEsinθ使極化從基板施加方向扭曲90°。實(shí)驗(yàn)測(cè)得NF相的極化密度非常高，為P=6×10-2C/m2。以相同的外加電場(chǎng)（102V/m）作用在N 相上（例如ε∥-ε⊥=10），產(chǎn)生的扭矩要弱一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而不能引起強(qiáng)烈的扭曲。圖4（b）和圖12（a）分別是DIO 和RM734 的介電頻譜。從各向同性液體開始降溫，普通N 相中的介電常數(shù)很低且沒有大的波動(dòng)；隨著溫度降低到NF相附近，介電常數(shù)急劇增大。兩種新型的NF相都表現(xiàn)出巨大的介電常數(shù)，比傳統(tǒng)晶體材料的介電常數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖12（b）是我們分子庫(kù)中NF相液晶分子的介電常數(shù)與損耗角正切與其他類材料對(duì)比的示意圖，顯而易見，我們分子庫(kù)中的NF相液晶材料在1 kHz 也具有超高介電常數(shù)，是軟物質(zhì)材料中所能觀察到的最高介電材料，甚至與無(wú)機(jī)鐵電或二維材料相當(dāng)。

圖12 （a）RM734 的介電頻譜［67］；（b）合成分子庫(kù)中NF相的介電常數(shù)與損耗角正切的示意圖［72］。Fig.12 （a）Dielectric spectrum of RM734［67］；（b）Road maps of both the dielectric constant versus the loss tangent of NF in synthetic molecular library［72］.

5.2 異常的黏彈性

彈性常數(shù)和黏度系數(shù)是向列相液晶物理性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)［79-80］，分別對(duì)應(yīng)液晶顯示器件的閾值電壓和響應(yīng)時(shí)間［81］。黏度系數(shù)一般基于Ericksen-Leslie-Parod（iELP）理論［82-86］測(cè)量，彈性常數(shù)主要由Freedericksz 躍遷［87-88］確定。近些年發(fā)展起來(lái)的動(dòng)態(tài)光散射（DLS）技術(shù)通過(guò)測(cè)量液晶散射光的自相關(guān)函數(shù)，可以同時(shí)確定向列相液晶的彈性常數(shù)和黏度系數(shù)［79，89］。為了理解驅(qū)動(dòng)N～NF相變的內(nèi)在原因，Mertelj 等人［66］通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量了N～NF相變附近的指向矢在取向方向上的波動(dòng)。圖13（a）顯示了N～NF相變附近的彈性常數(shù)隨溫度變化的曲線，最顯著的特征是展開彈性常數(shù)K1的值異常低，接近N～NF相變時(shí)趨于0。在測(cè)試的溫度范圍內(nèi)，扭曲彈性常數(shù)K2和彎曲彈性常數(shù)K3隨著溫度的降低而緩慢增加，這與序參數(shù)S2成正比關(guān)系是一致的。此外，旋轉(zhuǎn)粘度γ1在接近相變時(shí)急劇增加（圖13（b））。需要指出的是，展開粘度與旋轉(zhuǎn)粘度的溫度依賴性是相同的。接近相變時(shí)，彎曲粘度略有增加。

圖13 RM734 接近N～NF相變的（a）彈性常數(shù)Ki和（b）粘度ηi的溫度依賴性［66］；（c）RM734 和RM734-CN 在向列相的張開彈性常數(shù)和（d）張開粘度［90］。Fig.13 Temperature dependence of（a）elastic constant Ki and（b）viscosity ηi of RM734 near N～NF phase transition［66］；（c）Opening elastic constant and（d）opening elastic constant of RM734 and RM734-CN in nematic phase viscosity［90］.

Mandle 等人［73］測(cè)量了不具備NF相的液晶RM734-CN 的彈性常數(shù)，并將其與RM734 進(jìn)行比較。這兩種分子的展開彈性常數(shù)K1的溫度依賴性如圖13（c）所示。在高溫下，兩種材料的展開彈性常數(shù)K1是相當(dāng)?shù)?，大約為3.5 pN，但這個(gè)值對(duì)于向列相液晶來(lái)說(shuō)也是異常的低。RM734-CN 的展開彈性常數(shù)K1在整個(gè)N 相溫度范圍內(nèi)幾乎保持恒定。而RM734 在接近N～NF相變時(shí)，展開彈性常數(shù)K1劇烈下降。圖13（d）顯示了展開黏度的溫度依賴性，RM734 的展開黏度在N～NF相變之前出現(xiàn)了急劇增加，說(shuō)明NF相中極性從相變前的過(guò)渡狀態(tài)開始顯著增加；而RM734-CN 則呈現(xiàn)出經(jīng)典的類Arrhenius 趨勢(shì)。

5.3 典型的鐵電體P?E 滯后環(huán)

電學(xué)方法上，電滯回線（P-E）可以用來(lái)識(shí)別極性序。電滯回線作為鐵電材料重要的特性之一［90］，是判斷一個(gè)材料是否具有鐵電性的重要依據(jù)。為了比較DIO 和RM734 的極化反轉(zhuǎn)響應(yīng)，Nishikawa 等人［91］在相同條件下測(cè)試了DIO 和RM734 的P-E滯后回線。圖14（a）為T-Tc=-10 ℃時(shí)NF相中的P-E滯后回線。兩者都表現(xiàn)出鐵電材料典型的平行四邊形P-E滯后環(huán)。有趣的是，在P=0 時(shí)，計(jì)算得到的矯頑力場(chǎng)（Ec≈1.2～1.5 kV/cm）具有很好的可比性。從這些P-E環(huán)中，還可以估算出達(dá)到最大極化的飽和場(chǎng)（Esa）。RM734 的Esa≈3.5 kV/cm，略小于DIO的Esa≈4.5 kV/cm，但仍處于同一量級(jí)。

我們對(duì)合成的液晶寡聚物Nt2進(jìn)行了電滯回線的測(cè)量［74］。圖14（b）給出了不同電場(chǎng)頻率下Nt2在70 ℃時(shí)NF相中的P-E滯后回線的測(cè)試結(jié)果，Nt2顯示出典型的平行四邊形鐵電滯后環(huán)，自發(fā)極化和剩余極化約為1.5 μC·cm-2。

圖14 （a）DIO 和RM734 的P-E 滯后回線［92］；（b）Nt2的P-E 滯后回線測(cè)量［74］。Fig.14 （a）P-E hysteresis loop of DIO and RM734［92］；（b）P-E hysteresis measurement of Nt2［74］.

5.4 高的非線性光學(xué)響應(yīng)

二次諧波產(chǎn)生（Second harmonic generation，SHG）是最簡(jiǎn)單的非線性光學(xué)效應(yīng)之一。輸入頻率為ω的強(qiáng)光會(huì)產(chǎn)生頻率為2ω的光。光的電場(chǎng)極化由式（1）給出：

其中P0是自發(fā)極化，而χ(i)（i=1、2、3，…）是i階電場(chǎng)極化率。在中心對(duì)稱系統(tǒng)中，χ(i)（i=偶數(shù)）為0。因此，僅當(dāng)系統(tǒng)為非中心對(duì)稱時(shí)，才出現(xiàn)由χ(2)項(xiàng)引起的SHG 活性。換句話說(shuō)，如果我們可以從液晶體系觀察到SHG 信號(hào)，則該液晶可能是極性的。為了滿足極化的可持續(xù)性，必須在沒有電場(chǎng)的情況下觀察到SHG。如果僅在施加電場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)SHG，則系統(tǒng)不是鐵電的，而是順電的。二次諧波只能在沒有反轉(zhuǎn)對(duì)稱中心的結(jié)構(gòu)中觀察到，特別是在極性結(jié)構(gòu)中，因此SHG 可以用來(lái)區(qū)分N和NF液晶。對(duì)于N 相，即使單個(gè)液晶分子是有極性的，由于不區(qū)分頭尾，從而在宏觀上的極化為0，沒有SHG 信號(hào)。與N 相不同的是，NF相具有自發(fā)的極化，能夠體現(xiàn)出宏觀的極化，從而可以探測(cè)到SHG 信號(hào)。圖15（a）是我們測(cè)得的N～NF相的SHG 隨溫度的變化趨勢(shì)，在N 相中沒有檢測(cè)到SHG 信號(hào)，隨著溫度降低到NF相，SHG 信號(hào)急劇增加。圖15（b）是我們合成分子庫(kù)中具有NF相的液晶分子的非線性系數(shù)與介電常數(shù)的示意圖，這些NF液晶分子具有高的非線性系數(shù)（與石英對(duì)比）［72］。

圖15 （a）N 和NF相的SHG 曲線；（b）合成分子庫(kù)中NF相的介電常數(shù)與非線性系數(shù)的示意圖［72］。Fig.15 （a）SHG curves of N and NF phases；（b）Schematic diagram of dielectric constant and nonlinear coefficient of NF in synthetic molecular library［72］.

由于SHG 是一種相干光學(xué)相互作用，因此樣品中產(chǎn)生的二次諧波與基頻波具有確定的相位關(guān)系，可以通過(guò)將樣品的二次諧波與參考樣品（通常是具有大的χ(2)晶體）的二次諧波混合以干涉測(cè)量方式檢測(cè)SHG。二次諧波干涉（SHG-I）最初用于測(cè)量各種半導(dǎo)體材料的復(fù)數(shù)χ(2)系 數(shù)［92］。SHG-I 是唯一能夠探測(cè)松散流體中的極性特性并對(duì)極性方向敏感的技術(shù)。為了監(jiān)測(cè)極化過(guò)程和可視化極性結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了SHG-I顯微系統(tǒng)，在光路上放置一塊y-切的石英晶體，引入一個(gè)參考二次諧波。我們使用兩塊熔融石英玻璃片產(chǎn)生來(lái)自樣品和參考y-切石英的SHG 信號(hào)之間的相位差。兩塊熔融石英玻璃片以相反的方向旋轉(zhuǎn)，避免在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中光路發(fā)生變化。熔融石英玻璃片旋轉(zhuǎn)角度越大，感應(yīng)相位差越大。對(duì)于SHG-I 顯微成像，可以通過(guò)尋找熔融石英玻璃片的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度來(lái)選擇干涉條件以獲得最佳成像對(duì)比度。圖16（a）是我們搭建的SHG-I 顯微系統(tǒng)的光路示意圖，圖16（b）是我們用這套光路系統(tǒng)檢測(cè)NF液晶的極化結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果，兩個(gè)相鄰區(qū)域的相位相反，表明相鄰區(qū)域具有相反的自發(fā)極化［72］。同時(shí)我們也利用這套SHG-I 顯微系統(tǒng)探測(cè)了HN*相的極性螺旋，我們對(duì)圖16（a）的SHG-I 顯微系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖17（a）所示，輔以不同的入射光偏振條件下的正常SHG 測(cè)量，其中干涉只發(fā)生在圖像的中間。當(dāng)入射光偏振垂直于螺旋軸時(shí)SHG 最強(qiáng)，平行于螺旋軸時(shí)SHG 最弱。SHG 顯微圖像顯示，精細(xì)、暗亮條紋的周期性與寬度一致，圖像中的同步SHG 和SHG-I 觀測(cè)澄清了相鄰明亮條紋的相互相位差為π（即受干涉SHG 信號(hào)強(qiáng)度中的暗和亮交替），如圖17（c）所示。圖17（d）顯示了SHG（線a-a’）和SHG-I（線b-b’）顯微照片橫截面的強(qiáng)度圖。這兩種信號(hào)的空間分布都得到了很好的擬合，意味著HN*相具有螺旋旋轉(zhuǎn)的極性矢量［68］。

圖16 SHG-I 顯微系統(tǒng)［72］。（a）光路示意圖；（b）SHG 顯微圖及干涉曲線。Fig.16 SHG-I microscope system［72］.（a）Schematic diagram of optical path；（b）SHG micrograph and interference curve.

圖17 螺旋鐵電向列相（HN*）的SHG-I 顯微檢測(cè)［68］。（a）光路示意圖；（b）普通SHG 和SHG-I 的成像對(duì)比圖；（c）HN*相的偏光和SHG-I 顯微照片；（d）普通SHG 和SHG-I 的信號(hào)對(duì)比曲線。Fig.17 SHG-I microscopic detection of helielectric nematic phase（HN*）［68］.（a）Schematic diagram of optical path；（b）Imaging comparison of ordinary SHG and SHG-I；（c）Polarized light of HN* and SHG-I micrograph；（d）Signal contrast curve of ordinary SHG and SHG-I.

5.5 快速可切換的電場(chǎng)響應(yīng)

2020 年，Clark 團(tuán)隊(duì)［67］利用偏光顯微鏡觀察RM734 的電光行為，并開發(fā)了一種電光方法來(lái)確定向列相中的鐵電性。實(shí)驗(yàn)由兩部分組成，第一個(gè)是將極化與直流電場(chǎng)方向平行或反平行對(duì)齊，并在極化與直流電場(chǎng)方向反平行時(shí)觀察極化反轉(zhuǎn)；第二個(gè)是觀察由于鐵電性而保持極化切換的狀態(tài)。他們首次給出了在向列相液晶中觀察到鐵電性的定義特征：（1）在沒有外加電場(chǎng)情況下形成的由不同疇壁分隔的極化符號(hào)相反的自發(fā)極性疇區(qū)，如圖4（d）-A 所示；（2）由場(chǎng)致疇壁運(yùn)動(dòng)引起的極化反轉(zhuǎn)，如圖4（d）-B、C 所示。他們通過(guò)電光實(shí)驗(yàn)證實(shí)了RM734 從高溫、非極性、單軸向列相冷卻后，會(huì)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)單軸鐵電向列相。

我們利用Clark 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的電光方法來(lái)檢測(cè)所合成的液晶分子的鐵電性。圖18 展示的是由于鐵電性而保持的極化狀態(tài)［74］。在本實(shí)驗(yàn)中，我們制備了頂部和底部表面極化反平行排列的液晶盒，即極化扭轉(zhuǎn)π 角度，通過(guò)摩擦產(chǎn)生強(qiáng)錨定。由于極化錨定，體極化在樣品深度方向旋轉(zhuǎn)π 角度，產(chǎn)生左手或右手扭轉(zhuǎn)。通過(guò)施加垂直于表面極化的電場(chǎng)，手性的扭轉(zhuǎn)可以根據(jù)直流電場(chǎng)的方向偏置或反轉(zhuǎn)。由于鐵電性，即使在撤去外加電場(chǎng)后，也可以保留所得的扭轉(zhuǎn)手性。正如Clark團(tuán)隊(duì)在NF液晶RM734 中所證實(shí)的那樣，我們也觀察到了反手性疇的成核過(guò)程，如圖18 所示。同時(shí)，我們利用這種方法對(duì)我們合成的NF液晶材料進(jìn)行觀察，都有類似的成核過(guò)程。

圖18 POM 觀測(cè)平面排列的Nt2在NF相（3.2 μm 厚的樣品）中存在鐵電性的電光證據(jù)［74］Fig.18 Electro-optic evidence of ferroelectricity in the NF phase（3.2 μm thick sample）of planarly aligned Nt2 observed by POM［74］

此外，我們也利用這種電光方法觀察了HN*相的電光效應(yīng)［68］，在直流電場(chǎng)下進(jìn)行了織構(gòu)觀察。將螺距為10 μm 的左手性HN*相液晶（RM734/S1 為99.7/0.3）填充到5 μm 厚的液晶盒中，其上下表面為同向摩擦。在這樣的幾何結(jié)構(gòu)中，所有的螺旋都是左旋的。在由電極隔開的相鄰區(qū)域中施加平行或垂直于摩擦方向的電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)方向與平均極化方向反平行時(shí)，初始左旋螺旋通過(guò)成核過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚菪?；?dāng)電場(chǎng)方向平行于平均極化方向時(shí)，左旋螺旋保持其旋性。

6 總結(jié)與展望

自1916 年到2017 年，跨越百年征程的鐵電向列相液晶從設(shè)想到發(fā)現(xiàn)，開啟了凝聚態(tài)科學(xué)與技術(shù)的新篇章。在廣泛的固體鐵電體大家庭中新增了一個(gè)獨(dú)特的成員，具有高的流動(dòng)性、高的介電響應(yīng)以及高的非線性光學(xué)響應(yīng)的新型鐵電向列相液晶。在新型存儲(chǔ)設(shè)備、柔性高端光電子器件、非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。到目前為止，鐵電向列相液晶的研究尚處于起步階段，仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要克服，推動(dòng)這些液晶材料的實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。此類液晶材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)十分特殊，與傳統(tǒng)液晶材料相差甚遠(yuǎn)，顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)液晶材料的認(rèn)識(shí)，人們對(duì)此類液晶材料的物性理解非常有限。關(guān)于極性的起源，其結(jié)構(gòu)和相形成機(jī)理尚不清楚，仍存在爭(zhēng)議，其結(jié)構(gòu)演化路徑與傳統(tǒng)向列相液晶的關(guān)系也有待進(jìn)一步探索。鐵電向列相液晶提供了廣泛的物理效應(yīng)可供探索，從拓?fù)淙毕莸男袨榈奖砻驽^定、對(duì)電磁場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)的響應(yīng)、束縛電荷和自由電荷的相互作用、場(chǎng)控流體動(dòng)力學(xué)、場(chǎng)序耦合以及極性和手性的相互作用等。涉及鐵電向列相液晶的混合材料，如聚合物穩(wěn)定、聚合物分散和液晶彈性體等，也將是人們研究的重點(diǎn)。鐵電向列相液晶將是未來(lái)最有希望和最有應(yīng)用價(jià)值的新材料之一。