日本东京工业大学科学技术创成研究院未来产业技术研究所的特任教授西村凉、特任副教授市林拓等人组成的研究团队，与ENEOS共同开发出了能使静电致动器的输出功率提高到以往1000倍的有机铁电材料。
图1：本次研究开发的铁电向列型液晶材料的分子结构和相态。（供图：东京工业大学）
静电致动器是一种将电能等转换为动能（机械能）的器件，具有结构简单、轻量的特点，但也有很多限制，例如需要10千伏左右的高电压才能得到较大的输出等，这也限制了它的应用。由于静电致动器的基本原理很简单，所以很少有研究者质疑必须使用高电压这一“常识”。西村特任教授说：“相反，正因为简单，所以如果能突破一直被认为是极限的因素，那么性能的提高可能就不是2倍、3倍，而是100倍、1000倍，因此我萌生了在决定极限的介电材料中使用铁电向列型液晶的想法。”
研究团队利用东工大的超级计算机“TSUBAME3.0”，在具有较大偶极矩的刚性分子条件下，进行穷举式量子化学计算，筛选出了满足特征的分子。通过将这些分子与现有的铁电向列型液晶混合，实现铁电向列型相的低温化，成功开发出了即使在室温下，也能实现高达5μC/cm2的自发极化强度的铁电向列型液晶材料。
当该液晶材料被填充在有效面积为1cm2的平行平板电极之间时，在500kV/m的外加电场条件下获得了1.3N的静电力。使用介电常数为10左右的一般的顺电材料时，在相同条件下只能得到约1mN左右的静电力，由此可以确认开发的液晶材料能够产生1000倍以上的静电力。此外还证实产生的静电力与施加的电压成正比，这是因为铁电材料有一个独有的特征——自发极化，不施加电压时在电极与液晶材料界面上也会有残留电荷。而使用一般的顺电材料时产生的静电力与施加电压的平方成正比，因此还有望改善器件的控制性。
图2：此次开发的铁电向列型液晶材料的极化曲线（左图）和产生力特性（右图）。（供图：东京工业大学）
此外，研究团队又将该液晶材料填充到通过3D打印机和树脂电镀制作的双螺旋线圈电极中，结果，即便只是串联两个9V干电池的18V电源，也确认了收缩动作。当施加200V电压时得到约20%的大收缩率，确认无需以往那样的高压电源就能实际作为致动器工作。
图3：填充铁电向列型液晶材料的双螺旋线圈电极致动器（上图：未施加电压时，下图：施加200V电压时）。（供图：东京工业大学）
源于日本的液晶产业有望复活
西村特任教授说道：“液晶领域和半导体、光伏电池一样，是日本培养基础技术而形成巨大产业的领域，但现在已经被海外企业夺走了市场。我想用这种铁电液晶材料再次创造出源于日本的产业。这并不是一所大学或是一家企业就能实现的，所以我希望和感兴趣的器件制造商分享其价值，将其作为一大产业，并让以技术立国的日本复活。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Advanced Physics Research
论文：Lowering of electrostatic actuator driving voltage and increasing generated force using spontaneous polarization of ferroelectric nematic liquid crystals
DOI：10.1002/apxr.202200017
