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北京科技大学杨洲教授与中科院理化所王京霞研究员合作在蓝相液晶光子晶体研究领域取得新进展
2019-11-26  来源:高分子科技

  蓝相液晶是液晶领域中最迷人的自组装结构之一。由于蓝相液晶高度有序的形态和固有的液晶性能,蓝相液晶对外部刺激(如光,温度和电场)具有超高的响应性和可调谐性,从而可以得到基于蓝相材料的可调谐光学设备。另外,蓝相液晶也可以被看成是一种三维光子晶体,能反射特定波长的可见光,而目前三维光子晶体存在制备和应用等多方面的问题,需要通过开发新型光子晶体材料来克服这些缺点,蓝相液晶作为一种液晶分子自组装的光子晶体有很大潜力。然而,当前大部分蓝相液晶材料是保存在液晶盒中的,难以实现自支撑,难以发挥其结构方面的优势。

  针对蓝相液晶目前存在的问题,北京科技大学杨洲教授和中科院理化技术研究所王京霞研究员的合作团队通过对蓝相液晶自组装过程的研究,引入可聚合液晶单体和非液晶性单体,制备了蓝相液晶光子晶体薄膜材料。

图1(a)蓝相液晶的结构式;(b)蓝相液晶光子晶体薄膜的制备示意图;(c)蓝相液晶光子晶体薄膜的照片与反射光谱

  该团队制备了不同颜色的蓝相液晶光子晶体薄膜材料,并对其进行了详细的表征。可以看出,所制备的蓝相液晶光子晶体薄膜材料不仅能自支撑,而且表现出高质量的结构色。通过TEM进一步表征了材料的微观结构,TEM照片证明薄膜的结构色源于材料内部的液晶分子周期性排列。

图2 蓝相液晶光子晶体薄膜的相关表征(a)实物照片;(b)偏光显微镜照片;(c)TEM照片;(d)反射光谱;(e)Kossel图

  该团队进一步研究了蓝相液晶光子晶体薄膜在形状记忆聚合物方面的应用。通过形状记忆编程过程可以使薄膜暂时地形变,形变会导致薄膜内部的晶格间距发生收缩,导致颜色变化,产生图案。另外,在不同的压力下对蓝相液晶光子晶体膜进行形状记忆编程后,薄膜会产生不同程度的形变,因而得到不同程度颜色蓝移的图案。该图案可以在薄膜的玻璃化温度以下长时间的保持。通过将薄膜加热到玻璃化温度以上,薄膜会恢复到初始的形状,图案也随之消失。

图3 蓝相液晶光子晶体薄膜的(a)永久状态、(b)暂时状态和(c)恢复状态; (d)暂时状态下的3D扫描图;(e)反射光谱

  通过形状记忆编程过程,可以获得变色的“BP”图案,该图案可以通过形状记忆恢复过程被擦除,该形状记忆过程循环十次以上样品的质量没有明显降低,说明蓝相液晶光子晶体膜具有良好的重复性,可用于光子图案的循环制备。

图4 蓝相液晶光子晶体薄膜的(a)永久状态(或恢复状态)和(b)临时状态下形成的蓝色“BP”图案的照片。

  这是首次实现基于蓝相液晶的形状记忆聚合物功能,这一结果不仅丰富了形状记忆聚合物材料的种类,同时证明了蓝相液晶光子晶体膜在响应变色材料中有巨大应用潜力,有望被应用于光学传感器、可重写的光学器件、可调谐激光器等方面。

  以上相关成果分别发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b14202和J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 9460上。论文的第一作者为北京科技大学材料学院博士生杨佳佳,北京科技大学杨洲教授和中科院理化技术研究所王京霞研究员为共同通讯作者。

  论文链接:

  https://doi.org/10.1021/acsami.9b14202

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/tc/c9tc02938a#!divAbstract

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(责任编辑:xu)
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