膽甾相液晶是一類具有周期性螺旋超結(jié)構(gòu)的軟光子晶體,能夠選擇性地反射不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色.在向列相液晶中摻雜光響應(yīng)手性分子是制備光響應(yīng)膽甾相液晶的普遍方法.在外界光源的刺激下,光響應(yīng)手性分子的空間結(jié)構(gòu)改變,誘導(dǎo)螺旋超結(jié)構(gòu)的螺距發(fā)生變化,從而調(diào)控膽甾相液晶的結(jié)構(gòu)色,因此光響應(yīng)膽甾相液晶在濾光器、傳感器、可調(diào)光學(xué)激光器和動(dòng)態(tài)顯示等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.總結(jié)了不同光響應(yīng)手性分子構(gòu)筑的膽甾相液晶體系,分析了手性分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)膽甾相液晶結(jié)構(gòu)色調(diào)控的影響,最終討論了光響應(yīng)膽甾相液晶目前面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向. 

【文章來源】：化學(xué)學(xué)報(bào). 2020,78(06)北大核心SCICSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

光響應(yīng)手性分子調(diào)控膽甾相液晶螺距的原理示意圖

上述手性分子均為四面體手性,雖然能夠誘導(dǎo)向列相液晶扭曲形成膽甾相,但螺旋扭曲力普遍較低(β<15μm-1)[47],要使反射波長(zhǎng)位于可見光范圍需要摻雜大量的手性分子.過高的手性分子濃度會(huì)引起液晶基體物理性質(zhì)的改變,甚至喪失液晶性能.為使膽甾相液晶的反射波長(zhǎng)在可見光范圍內(nèi)變化,提高手性分子的螺旋扭曲力成為迫在眉睫的關(guān)鍵問題.Li等[52]將軸手性聯(lián)萘基團(tuán)引入手性分子的結(jié)構(gòu)中,通過在尾端修飾長(zhǎng)度不同的烷基鏈,獲得了一系列螺旋扭曲力高的光響應(yīng)手性分子5a～5d.這些手性分子的初始螺旋扭曲力均大于150μm-1(mol%),將2.5 wt%和5 wt%手性分子5a分別摻雜到向列相液晶5CB中,在紫外光和可見光的照射下分別實(shí)現(xiàn)反射顏色在藍(lán)色和綠色,以及深藍(lán)色和紅色之間的可逆變化(圖2b).隨后White等[53]將6 wt%手性分子5d摻入液晶基體1444形成膽甾相液晶,在紫外光的照射下,反射波長(zhǎng)由600 nm逐漸紅移,最終的調(diào)控范圍超過2000 nm,覆蓋可見光、近紅外光、甚至部分短波近紅外光區(qū)域(圖2c).在手性分子中引入類似液晶分子的結(jié)構(gòu)單元,可以增大手性分子與液晶基體的相容性,有利于將分子手性放大到螺旋超結(jié)構(gòu)中.Li等[54]設(shè)計(jì)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達(dá)304μm-1(mol%),是迄今為止所報(bào)道的螺旋扭曲力最高的手性分子.只需要6.5 wt%的摻雜濃度,就能在紫外光和可見光的照射下實(shí)現(xiàn)反射波長(zhǎng)在整個(gè)可見光范圍快速、可逆、連續(xù)的變化.反射顏色變化過程如圖3b所示,紫外光照射下,7 s后反射顏色為深藍(lán)色,17 s后反射顏色由深藍(lán)色變成綠色,43 s后達(dá)到深紅色.此過程中手性分子6a發(fā)生trans-cis異構(gòu)化,分子的螺旋扭曲力降低,螺旋超結(jié)構(gòu)的螺距增大,所以反射波長(zhǎng)紅移.在520 nm可見光的照射下,手性分子6a由cis-異構(gòu)體轉(zhuǎn)變?yōu)閠rans-異構(gòu)體,發(fā)生相反的過程,反射顏色又由深紅色變成綠色,最后恢復(fù)至深藍(lán)色.Li等[55]進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)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摻雜的膽甾相液晶經(jīng)過紫外光照射至穩(wěn)態(tài)預(yù)處理后,可分別在440、450、550 nm波長(zhǎng)光的照射下呈現(xiàn)紅色、綠色和藍(lán)色,實(shí)現(xiàn)了利用不同波長(zhǎng)的光穩(wěn)態(tài)精確控制顯示RGB三原色.這是因?yàn)樽贤夤忸A(yù)處理后,手性分子6b轉(zhuǎn)變?yōu)閏is-異構(gòu)體,不同波長(zhǎng)的可見光誘導(dǎo)cis-trans異構(gòu)化的轉(zhuǎn)化率不同,使得手性分子在不同波長(zhǎng)的光穩(wěn)態(tài)下具有各不相同的螺旋扭曲力,所以可以挑選出相應(yīng)波長(zhǎng)的可見光調(diào)控反射顏色為RGB三原色.進(jìn)一步,Li等[56]運(yùn)用毛細(xì)管微流控技術(shù),將摻雜手性分子6d和有機(jī)熒光染料的液晶混合物制備成膽甾相液晶-聚乙烯醇的雙乳液液晶微球(圖3c).由于有機(jī)熒光染料的激發(fā)波長(zhǎng)也是誘導(dǎo)手性分子發(fā)生異構(gòu)化的波長(zhǎng),在532 nm的光照下,有機(jī)熒光染料發(fā)射熒光,同時(shí)手性分子6d發(fā)生光致異構(gòu)化,引起膽甾相液晶螺距變化,因此雙乳液液晶微球的激光發(fā)射波長(zhǎng)從590 nm紅移至640 nm.這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)可調(diào)控液晶激光器提供了新思路.

此外,Li等[58]通過將鹵素鍵引入手性分子的結(jié)構(gòu)中,設(shè)計(jì)并合成了手性分子8.由于鹵素鍵延長(zhǎng)了手性分子的結(jié)構(gòu),手性分子8的螺旋扭曲力有明顯提高.且由于引入了與液晶基元相似的結(jié)構(gòu),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發(fā)生transcis異構(gòu)化反應(yīng),螺旋扭曲力降低,反射波長(zhǎng)紅移(圖4b);而在可見光的照射下發(fā)生相反過程.除此之外,結(jié)合掩膜版技術(shù)可呈現(xiàn)具有多種顏色的圖案.該研究首次將鹵素鍵應(yīng)用到手性分子的結(jié)構(gòu)中,提供了設(shè)計(jì)新型手性分子的方法.除了四面體和軸手性分子之外,面手性分子也被用于調(diào)控膽甾相液晶的螺旋超結(jié)構(gòu).Tamaoki等[59,60]報(bào)道了多種具有平面手性的環(huán)狀分子.面手性分子9和10具有高螺旋扭曲力和較大的螺旋扭曲力變化,其中,摻雜12 wt%手性分子9的膽甾相液晶在紫外光和可見光的照射下就能實(shí)現(xiàn)反射顏色在RGB三原色之間的可逆調(diào)控.而只需2.4 wt%手性分子10摻雜到液晶基體5CB中,就能實(shí)現(xiàn)反射顏色在整個(gè)可見光范圍內(nèi)的可逆變化.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3483804