【研究成果】用「水」搞定材料科學中難搞的雙親液晶分子

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖一、水作為AD的結構穩定劑、形貌調節劑和取向引導劑。雙親盤狀分子(amphiphilic discotic molecule, AD),藍色部分為親水核心,綠色部分為疏水外殼。

材料科學領域中,科學家們追求高度有序的「單晶」結構以優化材料特性,其中「液晶」性能優劣的關鍵就在於此。而如何達到嚴謹控制液晶材料的結構則為一大難題,目前使用的外部引導場對雙親(amphiphilic)液晶表現不盡人意。國立陽明交通大學應用化學系王建隆教授等人的研究團隊,研發利用「水」誘導液晶分子自組裝,成效顯著,獲選《美國化學學會期刊》期刊封面!

單晶

「單晶(single crystal)」是指分子在結晶過程中,以長程有序(long-range order)的位置、取向與構型排列所形成的物理狀態。反之,多晶(polycrystal)材料在三維空間中則因無序聚集的分子所形成的晶界(grain boundary),將凝態物質的形貌分割成大小、取向不一的晶粒(crystallite, crystal grain),這些巨觀尺度下看不見的小小歧異,卻是造成多晶材料不同面向性質大大差別的關鍵[2]

舉例來說,日常生活中所見之金屬銅或鐵都是多晶材料的一種,不同切面的原子密度不同,造就不同的阻力。在多晶金屬材料中,晶界角度、晶粒尺寸與位置等對金屬強度、電阻等都扮演至關重要的角色。

不過好在一般使用材料時多僅依靠其大範圍特徵,大量不同方向的晶粒將被平均呈現成相似的性質。然而,在積體電路高精密度的要求下,許多電子元件若是使用多晶材料製成,則會凸顯其原子排列不同的特性,展現出參差不一的電氣性質。所以在積體電路材料使用上,會偏好使用單晶材料,以達穩定的電氣特徵。

液晶

液晶(liquid crystal, LC),指的是存在於液態與晶體之間的相態。液晶材料即為處在液晶相態的材料,其被廣泛運用在有機半導體、薄膜、液晶顯示,而他們的特性很大程度取決於其自組裝結構(self-assembly structures)中分子的排列狀況。一般而言,科學家會透過設計液晶分子的幾何形狀(geometry)與非共價交互作用(noncovalent interactions),來設法將液晶分子的自組裝結構盡量逼近單晶結構。不過,在優化結構的過程中,目前使用的外部引導場(field),例如機械剪切(mechanical shearing)、電場和磁場(electric and magnetic fields)、表面改性(surface modification),皆不易達成液晶材料的雙軸定向控制(dual-axis orientational control)。

在液晶材料家族中,雙親性液晶(amphiphilic LC)與其他液晶材料不同的是,它們的自組裝程序除受剛性分子片段(anisometric rigid moieties)的幾何特性引導外,也能透過不相容分子片段的微分離(microsegregation)來誘導結構秩序。王建隆教授研究團隊先前就利用水分子和盤狀雙親分子之間(discotic amphiphile)的動態交互作用來開創水誘導自組裝(Water-Induced Self-Assembly, WISA),並利用WISA的觀念來製備適應性人工水通道(adaptive artificial water channels, aAWCs)[3]

將水誘導自組裝 (WISA)用於雙軸定向控制

陽明交通大學應用化學系王建隆教授、中國文化大學紡織工程學系吳冠毅助理教授、國家同步輻射研究中心莊偉綜副研究員、王嘉興副研究員和楊琮任博士,合作組成研究團隊,在WISA的基礎上,利用水作為組裝程序中的關鍵單元,優化雙親液晶材料所構成人工水通道(AWC)的結構,達成液晶材料的雙軸定向控制。他們的熱力學分析結果顯示「水」能扮演WISA程序中的結構穩定劑,而深入的同步輻射結構解析結果則顯示水亦能有效的扮演取向引導劑(圖一),將雜亂排列的水分子通道同時於軸向以及六方堆疊平面方向進行高度取向,以形成具有雙軸取向的水通道陣列,此一高度取向的人工水通道陣列因而展現極佳的水傳輸與脫鹽特性。

在這個研究中,該研究團隊藉由賦予「水」新的功能,並突破了雙親液晶材料的限制,開創出材料科學的新發展,成效顯著,研究成果刊登於《美國化學學會期刊》,並獲選為期刊封面。


參考文獻

[1] Yuan Chen, Hsi-Yen Chang, Mu-Tzu Lee, Zong-Ren Yang, Chia-Hsin Wang, Kuan-Yi Wu*, Wei-Tsung Chuang*, and Chien-Lung Wang. Dual-Axis Alignment of Bulk Artificial Water Channels by Directional Water-Induced Self-Assembly. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 17, 7768–7777 (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c00929

[2] 陳信文(2002)。單晶、鑽石與奈米材料。科技大觀園。https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=8659945a-8e0e-43df-a7dd-bbb18e2cb65a

[3] Chang, H.-Y.; Wu, K.-Y.; Chen, W.-C.; Weng, J.-T.; Chen, C.-Y.; Raj, A.; Hamaguchi, H.-o.; Chuang, W.-T.; Wang, X.; Wang, C.-L. Water-Induced Self-Assembly of Amphiphilic Discotic Molecules for Adaptive Artificial Water Channels. ACS Nano 2021, 15, 14885– 14890, DOI: 10.1021/acsnano.1c04994

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