胆甾相液晶结构色的光调控
发布时间：2021-11-08 13:38
胆甾相液晶是一类具有周期性螺旋超结构的软光子晶体,能够选择性地反射不同波长的光产生结构色.在向列相液晶中掺杂光响应手性分子是制备光响应胆甾相液晶的普遍方法.在外界光源的刺激下,光响应手性分子的空间结构改变,诱导螺旋超结构的螺距发生变化,从而调控胆甾相液晶的结构色,因此光响应胆甾相液晶在滤光器、传感器、可调光学激光器和动态显示等领域具有广阔的应用前景.总结了不同光响应手性分子构筑的胆甾相液晶体系,分析了手性分子结构设计对胆甾相液晶结构色调控的影响,最终讨论了光响应胆甾相液晶目前面临的挑战以及未来的发展方向.
【文章来源】：化学学报. 2020,78(06)北大核心SCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
光响应手性分子调控胆甾相液晶螺距的原理示意图
上述手性分子均为四面体手性,虽然能够诱导向列相液晶扭曲形成胆甾相,但螺旋扭曲力普遍较低(β<15μm-1)[47],要使反射波长位于可见光范围需要掺杂大量的手性分子.过高的手性分子浓度会引起液晶基体物理性质的改变,甚至丧失液晶性能.为使胆甾相液晶的反射波长在可见光范围内变化,提高手性分子的螺旋扭曲力成为迫在眉睫的关键问题.Li等[52]将轴手性联萘基团引入手性分子的结构中,通过在尾端修饰长度不同的烷基链,获得了一系列螺旋扭曲力高的光响应手性分子5a～5d.这些手性分子的初始螺旋扭曲力均大于150μm-1(mol%),将2.5 wt%和5 wt%手性分子5a分别掺杂到向列相液晶5CB中,在紫外光和可见光的照射下分别实现反射颜色在蓝色和绿色,以及深蓝色和红色之间的可逆变化(图2b).随后White等[53]将6 wt%手性分子5d掺入液晶基体1444形成胆甾相液晶,在紫外光的照射下,反射波长由600 nm逐渐红移,最终的调控范围超过2000 nm,覆盖可见光、近红外光、甚至部分短波近红外光区域(图2c).在手性分子中引入类似液晶分子的结构单元,可以增大手性分子与液晶基体的相容性,有利于将分子手性放大到螺旋超结构中.Li等[54]设计并合成了手性分子6a～6d,其中,手性分子6a在向列相液晶E7中的初始螺旋扭曲力高达304μm-1(mol%),是迄今为止所报道的螺旋扭曲力最高的手性分子.只需要6.5 wt%的掺杂浓度,就能在紫外光和可见光的照射下实现反射波长在整个可见光范围快速、可逆、连续的变化.反射颜色变化过程如图3b所示,紫外光照射下,7 s后反射颜色为深蓝色,17 s后反射颜色由深蓝色变成绿色,43 s后达到深红色.此过程中手性分子6a发生trans-cis异构化,分子的螺旋扭曲力降低,螺旋超结构的螺距增大,所以反射波长红移.在520 nm可见光的照射下,手性分子6a由cis-异构体转变为trans-异构体,发生相反的过程,反射颜色又由深红色变成绿色,最后恢复至深蓝色.Li等[55]进一步研究,发现手性分子6b和6c也具有高螺旋扭曲力,其中6.0 wt%手性分子6b掺杂的胆甾相液晶经过紫外光照射至稳态预处理后,可分别在440、450、550 nm波长光的照射下呈现红色、绿色和蓝色,实现了利用不同波长的光稳态精确控制显示RGB三原色.这是因为紫外光预处理后,手性分子6b转变为cis-异构体,不同波长的可见光诱导cis-trans异构化的转化率不同,使得手性分子在不同波长的光稳态下具有各不相同的螺旋扭曲力,所以可以挑选出相应波长的可见光调控反射颜色为RGB三原色.进一步,Li等[56]运用毛细管微流控技术,将掺杂手性分子6d和有机荧光染料的液晶混合物制备成胆甾相液晶-聚乙烯醇的双乳液液晶微球(图3c).由于有机荧光染料的激发波长也是诱导手性分子发生异构化的波长,在532 nm的光照下,有机荧光染料发射荧光,同时手性分子6d发生光致异构化,引起胆甾相液晶螺距变化,因此双乳液液晶微球的激光发射波长从590 nm红移至640 nm.这项研究为设计可调控液晶激光器提供了新思路.
此外,Li等[58]通过将卤素键引入手性分子的结构中,设计并合成了手性分子8.由于卤素键延长了手性分子的结构,手性分子8的螺旋扭曲力有明显提高.且由于引入了与液晶基元相似的结构,使得手性分子的溶解性能大大提升.紫外光照下,手性分子8发生transcis异构化反应,螺旋扭曲力降低,反射波长红移(图4b);而在可见光的照射下发生相反过程.除此之外,结合掩膜版技术可呈现具有多种颜色的图案.该研究首次将卤素键应用到手性分子的结构中,提供了设计新型手性分子的方法.除了四面体和轴手性分子之外,面手性分子也被用于调控胆甾相液晶的螺旋超结构.Tamaoki等[59,60]报道了多种具有平面手性的环状分子.面手性分子9和10具有高螺旋扭曲力和较大的螺旋扭曲力变化,其中,掺杂12 wt%手性分子9的胆甾相液晶在紫外光和可见光的照射下就能实现反射颜色在RGB三原色之间的可逆调控.而只需2.4 wt%手性分子10掺杂到液晶基体5CB中,就能实现反射颜色在整个可见光范围内的可逆变化.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Structural Design and Application of Azo-based Supramolecular Polymer Systems[J]. Hui-Tao Yu,Jun-Wen Tang,Yi-Yu Feng,Wei Feng. Chinese Journal of Polymer Science. 2019(12)
[2]高效多底物检测与多元分析方法研究进展[J]. 叶常青,陈硕然,李风煜,葛婕,勇沛怡,秦萌,宋延林. 化学学报. 2018(04)
[3]金属基光子晶体的研究进展[J]. 万伦,张漫波,王京霞,江雷. 化学学报. 2016(08)
本文编号：3483804
【文章来源】：化学学报. 2020,78(06)北大核心SCICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
光响应手性分子调控胆甾相液晶螺距的原理示意图
上述手性分子均为四面体手性,虽然能够诱导向列相液晶扭曲形成胆甾相,但螺旋扭曲力普遍较低(β<15μm-1)[47],要使反射波长位于可见光范围需要掺杂大量的手性分子.过高的手性分子浓度会引起液晶基体物理性质的改变,甚至丧失液晶性能.为使胆甾相液晶的反射波长在可见光范围内变化,提高手性分子的螺旋扭曲力成为迫在眉睫的关键问题.Li等[52]将轴手性联萘基团引入手性分子的结构中,通过在尾端修饰长度不同的烷基链,获得了一系列螺旋扭曲力高的光响应手性分子5a～5d.这些手性分子的初始螺旋扭曲力均大于150μm-1(mol%),将2.5 wt%和5 wt%手性分子5a分别掺杂到向列相液晶5CB中,在紫外光和可见光的照射下分别实现反射颜色在蓝色和绿色,以及深蓝色和红色之间的可逆变化(图2b).随后White等[53]将6 wt%手性分子5d掺入液晶基体1444形成胆甾相液晶,在紫外光的照射下,反射波长由600 nm逐渐红移,最终的调控范围超过2000 nm,覆盖可见光、近红外光、甚至部分短波近红外光区域(图2c).在手性分子中引入类似液晶分子的结构单元,可以增大手性分子与液晶基体的相容性,有利于将分子手性放大到螺旋超结构中.Li等[54]设计并合成了手性分子6a～6d,其中,手性分子6a在向列相液晶E7中的初始螺旋扭曲力高达304μm-1(mol%),是迄今为止所报道的螺旋扭曲力最高的手性分子.只需要6.5 wt%的掺杂浓度,就能在紫外光和可见光的照射下实现反射波长在整个可见光范围快速、可逆、连续的变化.反射颜色变化过程如图3b所示,紫外光照射下,7 s后反射颜色为深蓝色,17 s后反射颜色由深蓝色变成绿色,43 s后达到深红色.此过程中手性分子6a发生trans-cis异构化,分子的螺旋扭曲力降低,螺旋超结构的螺距增大,所以反射波长红移.在520 nm可见光的照射下,手性分子6a由cis-异构体转变为trans-异构体,发生相反的过程,反射颜色又由深红色变成绿色,最后恢复至深蓝色.Li等[55]进一步研究,发现手性分子6b和6c也具有高螺旋扭曲力,其中6.0 wt%手性分子6b掺杂的胆甾相液晶经过紫外光照射至稳态预处理后,可分别在440、450、550 nm波长光的照射下呈现红色、绿色和蓝色,实现了利用不同波长的光稳态精确控制显示RGB三原色.这是因为紫外光预处理后,手性分子6b转变为cis-异构体,不同波长的可见光诱导cis-trans异构化的转化率不同,使得手性分子在不同波长的光稳态下具有各不相同的螺旋扭曲力,所以可以挑选出相应波长的可见光调控反射颜色为RGB三原色.进一步,Li等[56]运用毛细管微流控技术,将掺杂手性分子6d和有机荧光染料的液晶混合物制备成胆甾相液晶-聚乙烯醇的双乳液液晶微球(图3c).由于有机荧光染料的激发波长也是诱导手性分子发生异构化的波长,在532 nm的光照下,有机荧光染料发射荧光,同时手性分子6d发生光致异构化,引起胆甾相液晶螺距变化,因此双乳液液晶微球的激光发射波长从590 nm红移至640 nm.这项研究为设计可调控液晶激光器提供了新思路.
此外,Li等[58]通过将卤素键引入手性分子的结构中,设计并合成了手性分子8.由于卤素键延长了手性分子的结构,手性分子8的螺旋扭曲力有明显提高.且由于引入了与液晶基元相似的结构,使得手性分子的溶解性能大大提升.紫外光照下,手性分子8发生transcis异构化反应,螺旋扭曲力降低,反射波长红移(图4b);而在可见光的照射下发生相反过程.除此之外,结合掩膜版技术可呈现具有多种颜色的图案.该研究首次将卤素键应用到手性分子的结构中,提供了设计新型手性分子的方法.除了四面体和轴手性分子之外,面手性分子也被用于调控胆甾相液晶的螺旋超结构.Tamaoki等[59,60]报道了多种具有平面手性的环状分子.面手性分子9和10具有高螺旋扭曲力和较大的螺旋扭曲力变化,其中,掺杂12 wt%手性分子9的胆甾相液晶在紫外光和可见光的照射下就能实现反射颜色在RGB三原色之间的可逆调控.而只需2.4 wt%手性分子10掺杂到液晶基体5CB中,就能实现反射颜色在整个可见光范围内的可逆变化.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Structural Design and Application of Azo-based Supramolecular Polymer Systems[J]. Hui-Tao Yu,Jun-Wen Tang,Yi-Yu Feng,Wei Feng. Chinese Journal of Polymer Science. 2019(12)
[2]高效多底物检测与多元分析方法研究进展[J]. 叶常青,陈硕然,李风煜,葛婕,勇沛怡,秦萌,宋延林. 化学学报. 2018(04)
[3]金属基光子晶体的研究进展[J]. 万伦,张漫波,王京霞,江雷. 化学学报. 2016(08)
本文编号：3483804
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3483804.html
