We demonstrate the origin of planar alignment of self-assembled dendrimers on water surface by Langmuir-Blodgett method. π-A isotherm and BAM measurements show that the molecule forms a stable monolayer. TEM and AFM images of the condensed monolayer reveal that the molecule forms edge-on-oriented from with hexagonal packing. Upon further compression, the condensed monolayer is transformed into a multilayer, and the interfacial structure becomes planar morphology. The recognition of molecular ordering mechanism of perfluorinated fan-shaped molecule on the water subphase is important for understanding of thin film and surface induced nanostructure.
Secondly, we report on the construction of supramolecular dendrimers consisting of highly oriented, cylindrical domains with long-range order using magnetic field. A very high degree of alignment is achieved in the magnetically oriented samples at low magnetic field strengths, which is a very important feature for many applications using supramolecular self-assemblies in the future electronics industry. Thirdly, we have shown the perfect ordering of toroidal domains with a very long range positional order and the direct observations of toroidal topology of Sm liquid crystal droplet on hydrophilic planar surface. Our experimental results show that the domain morphology, periodicity and ordering of the LCs are strongly influenced by the channel geometry. It would be possible to use this ordered toroidal domains not only for understanding topological transformations from isotropic to Sm focal phases, but also for the potential applications such as micro-pattering, bio-sensor, and particle trapper with sizes.
Fourthly, we have suggested the mechanism of odd Rugby ball morphology and directly investigated this morphology by convolution technique with POM, SEM, and GISAXS. It should be possible to use the defect-free ordered optical patterns for optical grating and optical modulator using this system.
Lastly, we present that a simple alkyl terminated rod-like molecule containing phenyl ester moiety has the intrinsic chiral induction by using POM, CD, and EM. Perception of large optical rotation and chiral nonlinear optical effects, originated from distinct broken orientaional symmetries in the fluid smectic liquid crystals is important.
제한된 공간 및 조건에서 실험을 수행하기에 앞서, 유기합성을 통하여 불소기를 말단에 갖는 막대기 및 부챗살 모양의 시료들을 합성하였다. 이때, 고배향성의 자기조립 나노 구조체를 형성하기 위해 불소분자와 탄소분자와의 미세분리 현상이 뛰어난 것으로 알려진 per-hydrogenated [(CH2)m] segments와 perfluorinated $[F(CF_2)_n]$ segments의 비가 4/8(m/n)인 semi-fluorinated alkyl bromides를 토대로 하였다. 이렇게 합성한 물질이 적절한 나노 구조체를 형성하는 것을 확인하기 위하여, 기본적인 구조분석 및 물성 확인 실험을 수행하였다. 온도 변화를 동반한 편광현미경 실험을 통하여 거시적 상변이를 관찰하고, 나타나는 특이한 상 (phase)을 관찰함으로써, 기본적인 물성값 및 구조체가 예측 가능하였다. 하지만, 광학현미경으로는 나노미터 크기의 구조를 직접 관찰이 불가능하므로, 산란법 (diffraction)에 의한 해석과 직접관찰이 가능한 투과 전자 현미경을 이용하여 상호 비교/보완하여 분자 배열 상태를 명확하게 밝혔다. 대부분의 유기재료의 전자현미경법은 전자빔에 의한 유기재료의 분해 등으로 인하여 분자크기의 분석이 매우 어려우며, low-dose법의 방법으로 구조가 변화하지 않도록 특별히 주의를 요하였다. 실험결과에 의하면 합성된 유기분자는 부챗살 모양의 분자의 경우엔 기둥구조, 막대기 형태의 분자는 전형적인 smectic 구조의 특징적인 모양을 나타냈다.
특히 기둥구조의 경우, 물, 알코올, 글리세린과 같은 친수기 표면에서 수평으로 배향됨을 관찰할 수 있었고, 이를 확인하기 위하여 Langmuir-Blodgett법을 사용하였으며, 직접적인 구조 분석을 위하여 원자력간 현미경 및 전자현미경 법을 사용하였다. 이 결과 육각기둥구조를 이루는 부챗살모양의 분자들이 표면에서 단분자 층을 형성하고 이후에 자기조립과정을 통하여, 육각기둥구조가 수평으로 배향함을 알아 낼 수 있었다. 또한, 완벽한 나노-마이크로 구조체를 얻기 위한 일환으로 표면처리 외에 외부장인 자기장을 도입하였을 때, 분자체에 다수 함유되어있는 아로마틱 그룹 들이 자기장에 수직으로 반자성이 작용하여 결과적으로 육각기둥구조들이 자기장에 수직으로 배향함을 관찰할 수 있었다. 특히, 이 결과는 실시간 소각 중성자 산란실험을 통하여 직접적으로 관찰하였으며, 나노 크기의 육각기둥들의 분자체들을 투과전자현미경으로 직접 관찰하였다.
또한, 위에서 언급된 외부장 외에도 제한된 조건의 하나로서 한정된 공간을 샘플에 부여했을 때, 특이한 구조체가 관찰됨을 확인할 수 있었다. 즉, 광식각 공정을 통하여 마이크로 미터 사이즈의 채널을 Si 기판 위에 만들고 이 기판과 공기 층, 기판과 유리덮개 등의 다양한 한정된 공간을 만들어 주었을 때, 각각 광범위에서 안정된 마이크로 구조체를 형성시킬 수 있었다. 즉, 형성된 채널 속에 물질이 자기조립하였을 경우 smectic 구조체의 전형적인 결함형태인 회오리 모양의 구조체가 형성되고 이 구조체는 하나하나의 분자들이 사각형 형태의 채널 속에서 채널에 수평으로 배향되고, 공기 층과 맞닿아 있는 곳에서 수직으로 배향되는 성질이 제한된 공간에서 벌어짐으로써 나타나는 현상이다. 반면에 한정된 공간에서 양쪽으로 Si 기판과 유리 덮개가 샘플과 맞닿아 있는 샘플을 제조하였을 때 접촉한 공간에 수평으로 배향되는 성질과 공기 층에 수직으로 배향하려는 성질을 가지고 있는 막대기 모양의 분자군 때문에 지그재그 형태의 특이한 광학 구조체 및 여러 번 꺾여있는 내부 구조체가 형성됨을 각각 고해상도 편광현미경과 주사전자현미경을 통하여 직접적으로 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 물질이 갖고 있는 구조적, 열방성 성질과 한정된 공간 속에서 상변화를 일으키면서 경쟁관계를 형성하여 복잡하고 광범위에서 특이한 구조체가 유도됨을 이 논문에서 밝혀냈다.
