Advanced Optical Materials:微流控制备胆甾相液晶碗状光子学微结构用于产生结构色环

有别于传统染料、颜料着色后对光的吸收或反射后直观呈现出的色素色,结构色是基于物理光学原理,通过有序微纳结构在不同波长的光的散射、衍射或干涉等共同作用下产生色彩的表达方式。胆甾相液晶又称手性向列相液晶,是一类典型的可自组装形成具有周期性螺旋超结构的软物质光子晶体,能够选择性地反射与自身螺旋手性相同的特定波长的圆偏振光,从而产生明亮且对外场刺激敏感的结构色。然而,具有流动性的胆甾相液晶分子通常由两块玻璃基片做成的纵向盒厚间隔在几微米到几十微米量级、横向尺寸为厘米量级的盒子约束和支撑。由于整体体积较大,不利于器件集成。乳化后的胆甾相液晶为球形几何构型,在界面提供平行锚定的情况下,螺旋轴沿径向呈现出对称分布构型,导致一系列新颖的光子学特性,主要包括:特殊的光反射效应、三维全向激光发射、光学谐振腔的调控、光学传感及光控执行器等。因此,近些年该领域引起了人们极大的研究兴趣。

微流控技术可以制备出均匀的单重或多重乳液,是一种制备尺寸与形态可控的单分散胆甾相液滴与复杂核壳结构的高效可靠的方法。厦门大学电子科学与技术学院的陈鹭剑教授(https://ese.xmu.edu.cn/info/1071/1737.htm)和美国Kent State University的Quan Li教授(https://www.lcinet.kent.edu/users/qli180/PI/Li.htm)合作,使用基于玻璃毛细管的同轴微流控装置,制备了含有光引发聚合单体的胆甾相液晶核壳结构。随后,利用内水相核的浮力作用诱导出胆甾相液晶壳的不均匀厚度分布,并在紫外光固化后借助壳内外水相之间的渗透过程进行进一步的处理。由于液晶壳内外两侧的水相具有不同盐浓度,水会透过液晶层从低盐浓度的内水相一侧向高盐浓度的外水相一侧流动,使固化后的壳在较薄位置产生凹陷,从而形成独特的碗状光子学微结构。该形貌经扫描电子显微镜测试得到进一步确认。

研究表明,胆甾相液晶碗状光子学微结构中存在一种产生环形结构色的新型反射模式,源于碗状微结构内部的多次全反射机制。经正交偏光显微镜反射模式下的对比观察可以确认,如果外水相中氯化钠浓度越高,则结构色环出现的时间越早。随着浸泡时间的延长,壳的凹陷程度越大,结构色环的半径增大,且反射波长逐渐发生蓝移。该工作引入CIE色度图对反射波长的变化规律进行分析后构建模型进行合理解释,并通过调整胆甾相液晶的螺距及合理控制浸泡时间的方法,直观展示了橙色、黄色、绿色和蓝色的结构色环。内水相中掺杂磁性纳米粒子后亦可实现对胆甾相液晶碗状微结构的磁控平移和磁控翻转操纵。 研究人员认为,这种借助微流控技术构筑碗状微结构的策略具有普适性,不仅赋予结构色材料以特殊形态,而且有望用于光学安全或生物分析编码、应变和温度响应的比色传感器、单谐振腔或双谐振腔的全向微激光器等面向未来液晶非显示应用的先进光子学领域。相关论文以“Annular Structural Colors from Bowl-Like Shriveled Photonic Microshells of Cholesteric Liquid Crystals”为题发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.202000692),第一作者为厦门大学电子科学与技术学院硕士单雨威,第一完成单位为厦门大学。本研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。