Melhoria na condutividade elétrica de cristais líquidos por compósitos de óxido metálico de grafeno

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11688 (2023) Citar este artigo

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O aumento da condutividade elétrica do cristal líquido (LC) contorna os desafios da aplicação em componentes eletrônicos avançados. Para isso, sugere-se o uso de aditivos feitos de diferentes nanoestruturas que possam resultar em LCs funcionais. Neste artigo, várias concentrações de nanocompósito de grafeno (Gr) / óxido metálico (Fe3O4) (GMN) (0,0001–1% em peso) foram adicionadas ao LC nemático E7. Descobrimos que o papel dos flocos anisotrópicos de Gr, suas bordas, bem como os aditivos de óxido metálico decorados na superfície, têm impacto significativo nas propriedades elétricas do E7. Uma gama de aditivos apropriados de tal nanocompósito aumenta a condutividade elétrica dos LCs. Este efeito pode ser rastreado através da diminuição da formação de agregados GMN no E7 e do aumento do campo eletrostático nas bordas das folhas Gr. Além disso, a presença de nanoaglomerados de óxido metálico devido à presença de vacâncias e defeitos de oxigênio facilita a construção de redes condutoras para melhorar as vias de transferência de carga e contribui para uma interação mais forte da superfície Gr com espécies carregadas. Esses fatores podem fornecer camadas Gr como momentos dipolares e levar à propagação do sinal no meio dielétrico. Nossa descoberta indica um caminho para um aumento significativo da condutividade elétrica na família LC, que pode ser útil para aplicações funcionais.

A dopagem de cristais líquidos (LCs) com nanomateriais aborda uma estratégia importante para ajustar suas propriedades . Os LC dopados exibem propriedades significativamente melhoradas em comparação com os não dopados, ao mesmo tempo que também alcançam estabilidade a longo prazo para aplicações industriais . Foi demonstrado que baixas cargas de vários nanomateriais com estruturas zero, unidimensionais e bidimensionais dispersas em meios LCs podem afetar significativamente suas propriedades físicas, especialmente a distribuição de carga espacial . Por exemplo, a resposta eletro-óptica, bem como o comportamento elétrico dos LCs, podem ser influenciados por tal dopagem . A este respeito, dois factores principais dos nanomateriais, ou seja, a sua relação superfície-volume, bem como as suas interacções entre agentes activos e iões de LCs, podem torná-los candidatos promissores para aplicações exigentes .

A melhoria da condutividade elétrica dos LCs devido à dopagem também pode influenciar suas propriedades para aplicações mais funcionais . Até o momento, isso foi conseguido através da inclusão de altas concentrações de nanomateriais em LCs, o que pode levar à amplificação da condutividade iônica e à degradação da resposta eletro-óptica devido à formação de agregados. Além disso, nos casos de formação de cadeias e redes, o aumento na condutividade DC pode perturbar as propriedades LC. Estudos demonstraram esse efeito para CLs dopados por nanopartículas feitas de nanotubos de carbono, metais e inclusões poliméricas6,17,18,19. Alternativamente, uma melhor exploração do comportamento líquido cristalino para aplicações exigentes requer uma compreensão dos fenômenos iônicos em LCs dopados com nanomateriais20,21 e identificação de processos que levam à purificação de LCs com valores ótimos de nanomateriais14,15,22,23. Considerando as tentativas que levam à otimização das propriedades de LC em alguns campos através da funcionalização de nanopartículas, a purificação juntamente com a melhoria da condutividade requer o uso de baixas concentrações de nanomateriais em LCs. Conseqüentemente, os nanomateriais precisam ser tratados superficialmente de maneira diferente para ajustar seu papel efetivo dentro dos LCs.

O grafeno (Gr) é um dos nanomateriais 2D bem conhecidos que pode manipular as propriedades elétricas dos LCs . A eficácia das camadas Gr em diferentes fases dos LCs muitas vezes leva a dois resultados: (I) Quando as folhas Gr se misturam com LC, seu campo eletrostático e efeito de triagem levam à supressão de comportamentos iônicos, como redução na densidade iônica, difusividade, condutividade, e frequência de relaxamento através do processo de captura de íons/aniquilação de carga22; (II) A interação entre o padrão de favo de mel de Gr e os anéis de benzeno das moléculas de LC faz com que os diretores de LC se estabilizem planarmente na superfície das camadas de Gr e resulta na melhoria da anisotropia dielétrica .