Many researchers have endeavored to replicate nanoscopic or microscopic structures of natural fibers at the nanometer or micrometer scale to obtain valuable functions. One essential factor in this replication is controlling the orientation of synthetic fiber bundles. Various properties, such as mechanical strength, wettability, and heat transfer, can be enhanced by controlling the alignment of fiber bundles. Polymers are promising materials for producing such well-controlled fibers because of their molecular flexibility, mechanical and chemical durability, and ease of synthesis. However, the high chemical stability of polymers makes it challenging to manage their orientation, as it takes a lot of energy and time. Thus, an "in-situ" method that allows for orientational ordering during synthesis can be a practical solution.
Liquid crystal (LC) templating polymerization is a method that utilizes liquid crystal compounds as templates to guide the polymerization of monomers into aligned structures. LCs have a long-range order, and their orientation can be precisely controlled using various techniques such as surface treatment, spatial confinement effects, and external fields. Considering these characteristics, utilizing LCs as templates allows for the easy production of polymer fibers that are uniformly oriented and have specific shapes. When the concentration of the monomer is substantially lower than the concentration of LC, the resulting polymer network exhibits a fibrous morphology. These fibers can exhibit various intriguing physical properties, including birefringence, polarizability, and chirality. Developing techniques to organize these fibers into arrays is crucial to achieving customized properties and yielding novel properties such as superhydrophobicity, adhesive, anisotropic wetting, and enhanced thermal conductivity.
In this study, patterned polymer nanofibers were fabricated using a small molecular-weight liquid crystal (LC) and reactive mesogens (RMs) under controlled electric fields in which defect arrays are generated depending on the electrode configuration. For this, the AC electric field with interdigitated electrodes is used to develop versatile defect structures of the LC phase. Hydrophobic LC network (LCN) fibers exhibiting porous morphologies have been made by removing the LC part after the polymerization of RM. The resulting LCN fibers show a surface tension reduction characteristic compared to the neat RM film and a sticky characteristic with the water droplet, suggesting a facile way to fabricate the hydrophobic surface that can be used in microdroplet transport.
수많은 연구자들이 천연 섬유의 유용한 기능을 얻기 위해서 나노 스케일 또는 마크로 스케일의 섬유 구조를 복제하기 위해 노력해왔다. 이 과정에서 중요한 요소 중 하나는 합성된 섬유의 배향을 제어하는 것이고, 이를 통해서 기계적 강도, 젖음성 및 열전달과 같은 다양한 성질들을 향상시킬 수 있다. 고분자는 분자적 유연성, 기계적 및 화학적 내구성, 합성의 용이성 등으로 배향이 잘 제어된 섬유를 제조하기 위한 유망한 후보이다. 그러나 고분자는 화학 안정성이 높기 때문에 배향 제어를 하는데 에너지 및 시간이 많이 소요된다. 따라서, 단량체를 미리 정렬한 후 그대로 중합을 진행하는 방법을 이용한다면, 배향이 제어된 고분자 섬유를 효율적으로 얻을 수 있다.
중합 시에 액정 화합물을 템플릿으로 사용한다면 단량체의 중합을 정렬된 구조로 유도할 수 있다. 액정 분자들은 장범위로 규칙성을 갖고 배열되어 있으며, 표면 처리, 공간적 한정 효과, 외부장 등 다양한 기법들을 사용해서 배향을 제어할 수 있다. 이러한 특징들을 고려했을 때 액정을 템플릿으로 활용하면 대면적으로 균일하고, 특정 모양을 갖는 고분자 섬유를 쉽게 제작할 수 있다. 단량체의 농도가 액정의 농도보다 상당히 낮을 때, 생성된 고분자 네트워크는 섬유 형태의 모양을 나타내며, 이러한 섬유들은 복굴절, 편광성 및 카이랄성과 같은 다양한 매우 흥미로운 물리적 특성을 나타낸다. 이러한 섬유들을 조직화하여 구성하는 기술을 개발하는 것은 맞춤형 물성을 달성하고, 초소수성, 이방성 젖음성, 접착성 및 향상된 열 전도도와 같은 새로운 특성들을 얻을 수 있다는 점에서 중요하다.
본 연구에서는 제어된 전기장 하에서 액정 및 반응성 메소겐을 사용하여 패턴화된 고분자 나노 섬유를 제작하였다. 교류 전기장을 서로 맞물린 전극이 존재하는 셀에 인가하면, 전극 구성에 따라 다양한 액정 결함 배열이 생성된다. 반응성 메소겐의 중합 후 액정 부분을 제거하여 다공성 형태를 나타내는 소수성 액정 고분자 네트워크 섬유를 제작하였다. 생성된 고분자 섬유는 순수한 반응성 메소겐 필름에 비해 표면 장력 감소 특성과 물방울과의 높은 접착력을 보여준다. 이는 미세 물방울 수송에 사용될 수 있는 소수성 표면을 쉽게 제조할 수 있는 방법으로서 응용될 수 있다.
