日本東京工業大學科學技術創成研究院未來產業技術研究所的特任教授西村涼、特任副教授市林拓等人組成的研究團隊，與ENEOS共同開發出了能使靜電致動器的輸出功率提高到以往1000倍的有機鐵電材料。
圖1：本次研究開發的鐵電向列型液晶材料的分子結構和相態。（供圖：東京工業大學）
靜電致動器是一種將電能等轉換爲動能（機械能）的器件，具有結構簡單、輕量的特點，但也有很多侷限，例如需要10千伏左右的高電壓才能得到較大的輸出等，這也侷限了它的應用。由於靜電致動器的基本原理很簡單，所以很少有研究者質疑必須使用高電壓這一「常識」。西村特任教授說：「相反，正因爲簡單，所以如果能突破一直被認爲是極限的因素，那麼性能的提高可能就不是2倍、3倍，而是100倍、1000倍，因此我萌生了在決定極限的介電材料中使用鐵電向列型液晶的想法。」
研究團隊利用東工大的超級計算機「TSUBAME3.0」，在具有較大偶極矩的剛性分子條件下，進行窮舉式量子化學計算，篩選出了滿足特徵的分子。透過將這些分子與現有的鐵電向列型液晶混合，實施鐵電向列型相的低溫化，成功開發出了即使在室溫下，也能實施高達5μC/cm2的自發極化強度的鐵電向列型液晶材料。
當該液晶材料被填充在有效面積爲1cm2的平行平板電極之間時，在500kV/m的外加電場條件下獲得了1.3N的靜電力。使用介電常數爲10左右的一般的順電材料時，在相同條件下只能得到約1mN左右的靜電力，由此可以應答開發的液晶材料能夠產生1000倍以上的靜電力。此外還證實產生的靜電力與施加的電壓成正比，這是因爲鐵電材料有一個獨有的特徵——自發極化，不施加電壓時在電極與液晶材料界面上也會有殘留電荷。而使用一般的順電材料時產生的靜電力與施加電壓的平方成正比，因此還有望改善器件的控制性。
圖2：此次開發的鐵電向列型液晶材料的極化曲線（左圖）和產生力特性（右圖）。（供圖：東京工業大學）
此外，研究團隊又將該液晶材料填充到透過3D列印機和樹脂電鍍製作的雙螺旋形線圈電極中，結果，即便只是串聯兩個9V乾電池的18V電流源，也應答了收縮動作。當施加200V電壓時得到約20%的大收縮率，應答無需以往那樣的高壓電流源就能實際作爲致動器工作。
圖3：填充鐵電向列型液晶材料的雙螺旋形線圈電極致動器（上圖：未施加電壓時，下圖：施加200V電壓時）。（供圖：東京工業大學）
源於日本的液晶產業有望復活
西村特任教授說道：「液晶領域和半導體、光伏電池一樣，是日本培養基礎技術而形成巨大產業的領域，但現在已經被海外企業奪走了市場。我想用這種鐵電液晶材料再次創造出源於日本的產業。這並不是一所大學或是一家企業就能實施的，所以我希望和感興趣的器件製造商分享其價值，將其作爲一大產業，並讓以技術立國的日本復活。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Advanced Physics Research
論文：Lowering of electrostatic actuator driving voltage and increasing generated force using spontaneous polarization of ferroelectric nematic liquid crystals
DOI：10.1002/apxr.202200017
