Bent-core molecules, the first group of achiral mesogens have attracted significant attention due to their polar and chiral properties. To control the unusual structural properties of B-phases in large domain, aligning control of B-phase in the topologically controlled confined geometries can be a good candidate. Anodic aluminum oxide (AAO) membrane composed of hexagonal, closely packed nanochannel arrays has good structural potentials as host and templating materials for metal/metal oxide nanowires, energy storage, catalysts and sensor system. Here, we describe the spontaneous transformation of morphology and configuration of bent-core liquid crystal confined in chemically modified AAO. Helical nanofilaments (HNFs) and nanodisk mesophase transformation could be naturally formed merely depending on surface chemical properties with same mesogen.
Furthermore, We have investigated various morphological changes of the HNF phases in multi-scale nanochannels made of the AAO film. Single or multi-helical structures could be manipulated depending on the AAO pore size and the higher-temperature phase of each molecule. The nanostructures of HNFs affected by the chemical affinity between the molecule and surface were drastically controlled in surface-modified nanochannels.
To diverse the confinement geometry of nanochannel hosts, we studied the growth mechanism of pre-patterned nanochannel arrays with 100 - 240 nm interpore distances using focused ion beam li-thography. Electron microscope cross section images of the induced nanochannel revealed the cor-relation between the interpore distances and pore length measured to the branching point based on a quantitative analysis.
Our approaches on bent-core liquid crystal confinement effect in chemically/physically modified AAO nanochannel will be helpful for improved understanding of the fundamental studies on mesophase confined in one-dimensional nanochannels.
굽은형 액정고분자는 분자구조 자체는 카이랄하지 않으나 위상의 변화에 따라 극성과 카이랄 특성을 가지며 배향 및 정렬되기 때문에 여러 연구자들에 의해 지속적으로 연구되어왔다. 이 액정분자가 이루는 B4 phase는 나선형 필라멘트의 형태를 가지기 때문에 2차 비선형 광학(Nonlinear optics, NLO) 물질, 광학디스플레이, 전기-광학 응답장치 (electro-optic responsible device) 등에 효과적으로 응용될 수 있다. 그러나 나선형의 구조적인 특이성과 복잡성 때문에 일직선으로 정렬하기가 어려워서 디바이스화 하기 어렵다는 한계점을 가진다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 균일한 직경과 길이를 가지는 나노채널이 육방정계로 정렬된 양극산화 알루미나 박막 (Anodic Aluminum Oxide, AAO) 을 주형으로 사용하여 나선형 필라멘트를 기판에 대해 수직으로 제어하는 데 성공하였다. 또한, 알루미나 채널의 표면을 자기조립 단분자막 (Self-Assembled Monolayers, SAMs) 으로 개질하여 액정분자와 표면간의 화학적 친화력의 강도에 따라 나선형 필라멘트의 꼬임정도를 효과적으로 제어하였고 디스크형태의 극단적인 형태 변형을 확인하였다. 이는 액정분자와 분자들이 이루는 스멕틱 (Smectic) 분자층의 방향이 서로 수직이 되고, 이 때 필라멘트의 배향이 스멕틱 분자층의 방향에 의해 결정되므로 가능한 방법이다. 제어한 액정의 구조는 광학이미지와 전자현미경, 가속기연구소에서 측정한 X선 회절분석 (Grazing Incidence X-ray Diffraction, GIXD) 을 통해 대면적에서 신뢰성 있게 분석했다. 또한 주형인 나노채널 자체의 직경을 두 개 이상 연속되며 가지도록 변형하여, 한 나노 필라멘트가 다양한 직경을 균일하게 가지도록 구조를 제어했다.
액정고분자 구조제어를 더욱 다양하게 하기 위해, 주형인 양극산화 알루미나 박막에 대한 연구를 함께 진행하였다. 알루미나 박막의 구조를 제어하는 가장 효과적인 방법으로 대두된 것이 알루미늄 표면에 원하는 형태의 압흔을 내어 그 부분으로부터 채널이 형성되도록 유도하는 것인데, 이때 가하는 압흔 간의 간격에 따라 채널이 어떻게 생성되는지에 대한 기본적인 연구가 절실히 요구되어 왔다. 이를 체계적으로 연구하기 위하여 본 연구에서는 집속이온빔 (Focused Ion Beam, FIB) 리소그라피 방법을 이용하여 압흔간의 간격을 100 nm 부터 240 nm 까지 10 nm 간격으로 조절하였고, 각각의 경우의 채널 형성과정을 전자현미경으로 분석하고 그 메커니즘을 설명하였다. 이 과정에서 FIB 리소그라피를 이용한 패터닝, 전기화학반응, sol-gel silanization 을 이용한 실리카 코팅, FIB를 이용한 이온 밀링 등이 수행되었다. 이 과정에서 기존 연구들이 알아내지 못했던 압흔의 거리와 이때 생성되는 나노채널의 직경, 채널의 형태와의 상관관계를 규명하였다. 또한, 기존에 보고되지 않았던 특이한 형태의 채널을 발견하여 생성과정을 제안하였다.
본 연구의 결과들이 액정물질을 포함한 각종 고기능 신소재의 구조제어에 유용할 뿐 아니라, 새로운 디바이스 구현과 분석시스템의 시초가 될 것이라 기대한다.
