選擇性反射膽甾相液晶研究進(jìn)展

向錦山 黃建成 楊洋 趙晨曦 李帥 徐向陽 趙玉真

摘 要：具有選擇性反射特性的膽甾相液晶材料因其特殊的光學(xué)性能及其在液晶光能板、光增亮膜、液晶調(diào)光玻璃、液晶調(diào)光膜以及激光防護(hù)、紅外隱身等各個(gè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景，因而成為國(guó)內(nèi)外科研工作者的研究熱點(diǎn)，目前，研究者已經(jīng)提出多種行之有效的拓寬反射波帶的方法。通過對(duì)各個(gè)材料體系的研究，膽甾相的反射波寬得到了有效的拓寬，為膽甾相液晶材料的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：液晶;膽甾相;選擇項(xiàng)反射

自然界的物質(zhì)通常以三種狀態(tài)存在：固態(tài)（包括晶態(tài)和非晶態(tài)）、液態(tài)和氣態(tài)。當(dāng)外界的條件發(fā)生變化時(shí)，大多數(shù)物質(zhì)直接由一種相態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種相態(tài)。但有些特殊結(jié)構(gòu)的物質(zhì)并不是從晶態(tài)直接轉(zhuǎn)變成液態(tài)，而是經(jīng)過一系列的中間態(tài)：一是像晶體的流體，二是像液體的晶體，前者稱為液晶態(tài)，后者稱為塑晶態(tài)。而液晶就是對(duì)處于液晶態(tài)下的物質(zhì)的統(tǒng)稱，即介于各向同性的液體和完全有序的晶體之間的一種取向有序流體。液晶相變時(shí)具有嚴(yán)格的焓變和熵變，因此液晶態(tài)是熱力學(xué)上穩(wěn)定的相態(tài)。液晶這個(gè)看似矛盾的定義恰恰如實(shí)描述了液晶這一特殊的相態(tài)，即同時(shí)具有晶體的各向異性和液體的流動(dòng)性。從微觀上看，晶體、液晶、液體之間的主要區(qū)別是：液體是各向同性的;晶體有取向序和位置序;而液晶有取向序、無位置序。液晶分子能夠在磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度、光輻照、機(jī)械應(yīng)力等外場(chǎng)條件刺激下排列或分子有序度發(fā)生變化，從而使器件的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變[1，2]。

在眾多液晶相態(tài)中，膽甾相由于其特殊的一維自組裝螺旋結(jié)構(gòu)和選擇性光反射特性而備受研究者的關(guān)注。膽甾相被認(rèn)為是向列相的一種特殊狀態(tài)，也常被稱為手性向列相。膽甾相的形成方式主要有兩種，第一種是分子本身含有手性碳原子或其他不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，第二種是在向列相或近晶相液晶中摻入手性化合物，目前絕大多數(shù)的膽甾相液晶是采用第二種方法制備。膽甾相液晶的選擇性反射功能為其應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，膽甾相液晶寬波反射薄膜不僅可以作為光增亮膜應(yīng)用于液晶顯示器，還能作為反射層應(yīng)用于建筑節(jié)能、激光防護(hù)等領(lǐng)域，這些優(yōu)點(diǎn)使其具有重要的商業(yè)價(jià)值[3-8]。然而，如何在所需反射波譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)譜帶的拓寬仍是 膽甾相液晶急需解決的關(guān)鍵問題之一。本文介紹了近年來寬波反射膽甾相液晶材料的研究進(jìn)展，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了展望。

制備具有螺距梯度分布的膽甾相液晶是獲得寬波反射薄膜的一種簡(jiǎn)單、有效的方法。Broer等通過使用雙官能度手性液晶性可聚合單體、單官能度液晶性可聚合單體、紫外光吸收染料和光引發(fā)劑的材料體系獲得了具有寬波反射效果的膽甾相液晶薄膜。其原理是由于紫外光吸收染料的存在，紫外光照時(shí)在液晶盒厚方向自上而下可形成紫外光強(qiáng)梯度。雙官能度的可聚合單體分子在反應(yīng)過程中的消耗速率快于單官能度可聚合單體，因此雙官能度單體聚合速度快并傾向于向上表面擴(kuò)散，單官能度單體聚合速度慢而傾向于向下表面擴(kuò)散。復(fù)合薄膜材料由于具有這種螺距自上而下逐漸變大的螺距梯度分布結(jié)構(gòu)而可反射 400- 750 nm可見光波長(zhǎng)范圍的右旋圓偏振入射光[9]。

Chen等合成含有偶氮苯發(fā)色團(tuán)的聯(lián)二萘光響應(yīng)手性分子，并將所制備的分子與向列相液晶混配制備膽甾相液晶，將光響應(yīng)性膽甾相液晶和層狀膽甾相液晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，制備了光響應(yīng)性層狀膽甾相液晶復(fù)合薄膜材料。該薄膜材料由三層膽甾相液晶疊加而成，第一層和第三層采用先旋涂后聚合的方法制備，第二層利用毛細(xì)作用灌入。制備出來的薄膜不但具有多個(gè)反射帶，也具有光響應(yīng)性[10]。Kralik 等將分別反射藍(lán)光、綠光、紅光的三層膽甾相液晶樣品疊加在一起，其反射波寬成功覆蓋可見光區(qū)域，并研究了其與四分之一波片搭配后在顯示器背光源系統(tǒng)中的光增亮效果[11]。Zhao等人通過在液晶盒器件內(nèi)制備具有左旋性能的聚合物穩(wěn)定膽甾相液晶薄膜，然后通過洗出灌入法，重新灌入含有右旋聯(lián)萘基手性偶氮分子的膽甾相液晶，制備了具有光可調(diào)控的雙反射帶膽甾相液晶薄膜，當(dāng)形成的左旋與右旋螺距相匹配時(shí)，在某一波段可實(shí)現(xiàn)全反射效果[12]。

通過調(diào)節(jié)手性化合物螺旋扭曲力變化進(jìn)而誘導(dǎo)螺距非均勻分布也是制備寬波反射膽甾相液晶薄膜的一種有效手段。Wang等人制備了具有光響應(yīng)性的聯(lián)萘基偶氮手性分子/上轉(zhuǎn)換納米粒子/向列相液晶符復(fù)合體系。采用980nm的近紅外光替代紫外光來調(diào)控復(fù)合材料的選擇性反射，并且通過調(diào)節(jié)近紅外光的強(qiáng)度來間接控制聯(lián)萘基偶氮手性分子的手性大小，進(jìn)而調(diào)控液晶復(fù)合材料的螺距，從而可以實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三種不同反射顏色的光在單一薄膜中的可逆動(dòng)態(tài)調(diào)控，還可以避免高強(qiáng)度的紫外光對(duì)復(fù)合材料造成的損傷[13]。Yang等合成了螺旋扭曲力隨溫度升高而增大的手性化合物，通過制備液晶性可聚合單體/向列相液晶/手性化合物復(fù)合體系，獲得了反射波寬隨溫度升高而變寬的高分子穩(wěn)定膽甾相液晶薄膜[14]。

膽甾相液晶材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)、選擇性光反射及潛在廣泛應(yīng)用而備受矚目，國(guó)內(nèi)外研究者通過改進(jìn)手性化合物的結(jié)構(gòu)、完善液晶材料的體系以及尋找新的研究方法上不斷努力創(chuàng)新，使得具有選擇性反射的膽甾相液晶在液晶光能板、光增亮膜、液晶調(diào)光玻璃、液晶調(diào)光膜以及激光防護(hù)、紅外隱身等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在選擇性反射膽甾相液晶研究領(lǐng)域，開發(fā)新材料體系、尋找新方法、簡(jiǎn)化制備工藝、降低成本將是未來研究的主導(dǎo)方向。

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基金項(xiàng)目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目S201912715019

（作者單位：西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710123）