俞燕蕾教授课题组开发新型超分子光子晶体材料
发布时间:2018-01-06 

       最近,我系俞燕蕾教授课题组设计开发了一种新型光响应超分子材料­­——分段调控胆甾相液晶。基于该材料制备的光子晶体具有超宽的颜色调控范围,能够在黑色背景上显示各色图案,甚至在同一个背景上显示不同颜色的图案。研究者别出心裁的将“国粹”麻将图案融入到材料的功能展示过程中,充分体现了科研与生活的完美结合。

       动物之间常通过颜色变化来传递信号。在感知到外界环境变化时,它们通过改变自身的颜色实现伪装、恐吓、警戒、求偶等行为。响应性光子晶体被认为是模仿变色行为的最佳材料,在外界刺激的诱导下,光子晶体通过改变自身周期结构来调控反射波长,即实现视觉上的颜色变化。然而,现有的体系变色范围有限,使得显示的图案需要牺牲一种颜色作为背景。也就是说,无法显示黑色,还不能真正做到“全彩”,这严重制约了该类材料的应用与发展。

 

       最近,我系俞燕蕾教授课题组突破上述难关,设计开发了一种新型光响应超分子材料­­——分段调控胆甾相液晶。基于该材料制备的光子晶体具有超宽的颜色调控范围,能够在黑色背景上显示各色图案,甚至在同一个背景上显示不同颜色的图案。研究者别出心裁的将“国粹”麻将图案融入到材料的功能展示过程中,充分体现了科研与生活的完美结合。变色过程分为两步:首先,利用可见光刺激将光子晶体调控到想要的颜色;随后,将刺激光源换成紫外光,再结合各式各样的掩膜版,就能得到“黑底彩图”,操作起来非常简单易行。之所以选择光作为刺激源,俞燕蕾教授表示,光是一种清洁能源,并且在远程、精确、定点控制上具有得天独厚的优势,我们一直致力于“让液晶材料随光起舞”。

图1 新型胆甾相液晶的颜色调控及其图案化过程展示

 

       显示“黑色”看似简单,实则需要胆甾相液晶的核心成分——手性分子具有很宽的调控范围,反射波长在保证覆盖整个可见光谱的前提下,进一步延伸至近红外光区域。由于近红外光无法被人的眼睛识别,所以显示出黑色背景。为实现这一目标,研究者精心设计了一种新型三稳态手性分子,巧妙的将两种偶氮苯连接在联萘手性中心上。偶氮苯和含氟偶氮苯在紫外光和蓝光的刺激下均分别发生trans-cis和cis-trans异构化反应。但是,当使用绿光作为刺激源时,偶氮苯由cis回复到trans,含氟偶氮苯却由trans异构化为cis。正是由于两种偶氮苯在这三种光刺激下的异构化反应不尽相同,该手性分子可以产生3种稳定构型,为胆甾相液晶提供2个调控波段。3种构型空间结构存在巨大差异,导致螺旋扭曲力的变化非常大(D = 87%),这为拓宽调控范围奠定了基础。

 

图2 三稳态手性分子的结构和不同波长光刺激下三种构型之间的可逆变化

 

       仅需强度为几十毫瓦每平方厘米的可见光刺激,该手性分子就可以在构型I和II之间转变,引起胆甾相液晶材料的反射波长在可见光范围内可逆变化,颜色丰富鲜艳,响应速度快。在紫外光的刺激下,手性分子转变为构型III,反射波长从670 nm红移至2100 nm,在近红外区域拥有宽达1430 nm的调控范围。该材料有望在防伪、彩色电子书、光擦写显示器等领域大展拳脚。

 

图3 胆甾相液晶反射波长的分段调控,包括可见光和近红外光区域

 

       相关研究成果最近以Piecewise Phototuning of Self-Organized Helical Superstructures为题发表于Advanced Materials,文章的第一作者为复旦大学材料科学系博士研究生秦朗,通讯作者为俞燕蕾教授。

       DOI: 10.1002/adma.201704941

       http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704941/full

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