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《Science Advances》重磅:蓝相液晶也符合经典原子马氏体转变!

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除了金属等原子晶体外,在一系列“软”物质中也观察到了马氏体转变,本文证实了蓝相液晶之间的相变以无扩散方式发生,仅需要很小的晶格变形和晶格旋转即可,尽管蓝相液晶具有液晶性质和介观的长度,但晶体转变方式与经典的固体原子晶体中的马氏体转变相似,相关结果将为蓝相软晶体的未来应用提供重要的见解。

马氏体相变是无扩散相变,其特征是大量原子在小于其相邻间距的距离(即无长程离扩散)上均匀且协同地运动。作为置换性晶体结构相变的一个例子,马氏体转变长期以来引起了人们的极大兴趣。对马氏体相变的研究增加了我们对金属和合金中观察到的晶体成核,相变和生长过程的基本理解。除原子晶体外,在一系列“软”物质系统中也观察到了马氏体转变,但仍没有一种清晰的方法观察相变过程中的晶格结构及其形态变化。

美国芝加哥大学的研究人员使用共振软X射线散射(R-SoXS)从简单立方(BPII)到体心立方(BPI)的马氏体转变过程中原位探测蓝相液晶(BP LC)晶胞的形态,并使用结果进一步拓宽软物质和硬物质中无扩散相变之间的类比。相关论文以题为“Soft crystal martensites: An in situ resonant soft x-ray scatteringstudy of a liquid crystal martensitic transformation”发表在Science Advances。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/13/eaay5986

当在BP LC和原子晶体的马氏体转变之间进行直接类比时,从BPII到BPI的转变应诱导相同和相反的应变,这些应变通过创建两组孪晶多晶释放,从而形成交叉片状结构。这些孪晶多晶晶体在一起将消除宏观长度范围内的正应变分量和剪切应变分量。

在晶格变换后获得的立方晶格中,重新排列BPII(100)晶格的双扭转圆柱和旋错线进而形成BPI(110)晶格。单位晶胞参照系中预测的正常应变,即ϵb= -ϵc= -0.172,接近于实验观察到的应变(ϵb= -0.172→−0.167和c= 0.172→0.167),证实了该模型相对于晶胞的局部应变的有效性。

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图1 试样制作方案与BPI、BPII的结构

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图2 BP LC夹层电池加热和冷却期间的LC相

研究发现晶格变形和旋错线的内部重排同时发生,而不是顺序发生。由BPII的马氏体转变(即冷却期间)产生的BPI晶格的单胞尺寸比胆甾相转变(即加热期间)产生的BPI晶格更小。这是由冷却时BPII母晶格的单位晶胞尺寸决定的。由马氏体相变得到的BPI晶格c轴相对于a和b轴较长(即c/a≈1.02),因此晶格是四方的,而不是立方的。具有不同面内取向的四组建模的BPI(110)晶格,均出现类似的结果。

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图3 加热过程中BP LC的R-SoXS散射图

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图4冷却过程中BP软晶体的R-SoXS

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图5 马氏体转变过程中网状结构形成机理示意图

原位R-SoXS的使用为BPII到BPI相变过程中的晶格结构及其形态变化提供了一种清晰的检测方法。此外,定向自组装技术的使用可确保从单晶BPII母体中观察到转变,从而排除了晶界和其他缺陷的影响。本研究结果进一步证实了BP LC之间的相变以无扩散方式发生的结论,仅需要很小的晶格变形和晶格的旋转即可。

已经证明,为使整体运动最小化并减小宏观应变,转化的BPI多晶形成了双片晶,完全符合经典原子马氏体转变的预期。尽管BP LC具有液晶性质和介观的长度,但晶体转变方式与经典的固体原子晶体中的马氏体转变相似。对软晶体相变的这种更好的理解将为设计和设想BP软晶体的各种未来应用(例如新型的光学开关和传感设备)提供重要的见解。(文:破风)

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