Small Science:三维手性蓝相液晶光子晶体

自然界中蝴蝶翅膀和甲壳虫外壳等生物体五光十色,绚烂缤纷。这些颜色通常被称为物理色或结构色,源自于生物体内有序的周期性光子晶体结构与环境光的相互作用。随着对自然界光子晶体结构研究的不断深入,科学家发现除了普通的周期性结构外,一些生物体内还存在着特殊的螺旋结构,可反射与其手性相同、禁带匹配的圆偏振光,人们将此结构称为手性光子晶体结构。自然界中较为常见的有一维手性光子晶体和三维手性光子晶体。例如,甲壳虫(Chrysina gloriosa)外壳中存在着周期性排列的左旋螺旋结构,其表面具有绚丽的金属光泽,在左旋圆偏振片下颜色饱满,而在右旋圆偏振片下颜色暗淡。蝴蝶(Callophrys rubi)翅膀中存在特殊的三维手性光子晶体结构,受此结构模型启发,科学家们开发出纳米尺度的光子晶体手性分光镜,在集成光子电路、光通信、影像、传感等方面具有巨大的应用前景。

软物质液晶兼具液体的流动性和晶体的长程有序特性,被认为是制备大面积可调节手性光子晶体结构的理想材料。基于胆甾相液晶的一维手性光子晶体已被广泛应用于信息显示、可调谐激光器以及其他手性光子学器件。具有三维手性纳米结构的蓝相液晶(Blue Phase Liquid Crystals)近年来逐步成为科学家的研究焦点,与传统的一维手性液晶光子晶体相比,蓝相液晶展现出许多独特的优势,例如微妙级快速响应速度、无需额外取向、较窄的光子带隙和三维立方纳米结构等。天津大学材料科学与工程学院王玲教授、北京大学工学院杨槐教授与美国肯特先进材料与液晶研究所李全院士合作,系统总结了近年来基于蓝相液晶的三维手性光子晶体研究进展及其潜在应用。作者首先介绍了三维蓝相液晶的基本结构、制备方法及光学特性,然后详细综述了近年来在蓝相液晶的晶体取向、带隙调控和自支撑薄膜制备等方面的重要研究进展。在此基础上,作者提出了对三维手性蓝相液晶光子晶体材料的新思考和未来发展方向。

文章信息:3D Chiral Photonic Nanostructures Based on Blue‐Phase Liquid Crystals

Yanzhao Yang  Ling Wang  Huai Yang  Quan Li