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、紅外隱身等各個領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景，因而成為國內(nèi)外科研工作者的研究熱點，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。通過對各個材料體系的研究，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際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：液晶;膽甾相;選擇項反射

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，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)。液晶這個看似矛盾的定義恰恰如實描述了液晶這一特殊的相態(tài)，即同時具有晶體的各向異性和液體的流動性。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、電場、溫度、光輻照、機械應(yīng)力等外場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)用奠定了堅實的基礎(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、激光防護等領(lǐng)域，這些優(yōu)點使其具有重要的商業(yè)價值[3-8]。然而，如何在所需反射波譜范圍內(nèi)實現(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，紫外光照時在液晶盒厚方向自上而下可形成紫外光強梯度。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散，單官能度單體聚合速度慢而傾向于向下表面擴散。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)計進(jìn)行有機結(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，在某一波段可實現(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態(tài)調(diào)控，還可以避免高強度的紫外光對復(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、紅外隱身等各個領(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、簡化制備工藝、降低成本將是未來研究的主導(dǎo)方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周其鳳， 王新久. 液晶高分子.[M] 科學(xué)出版社， 1994.

[2] 高鴻錦. 液晶化學(xué).[M] 清華大學(xué)出版社， 2011.

[3] Costello MJ， Meiboom S， Sammon M. Phys Rev A. 1984;29：2957.

[4] Schwartz M， Lenzini G， Geng Y， et al. Adv Mater. 2018;30：1870221.

[5] Wysocki JJ， Adams J， Haas W. Phys Rev Lett. 1968;20：1024.

[6] Wang M， Zou C， Sun J， et al. Adv Funct Mater. 2017;27（46）：1702261.

[7] Tokunaga S， Itoh Y， Tanaka H， et al. J Am Chem Soc. 2018;140（35）：10946-10949.

[8] Kim Y， Frigoli M， Vanthuyne N， et al. Chem Commun. 2017;53：200-203.

[9] Broer DJ， Mol GN，Van Haaren J， et al. Adv Mater.1999;11（7）：573-578.

[10] Chen G， Wang L， Wang Q， et al.ACS Appl Mater Interfaces， 2014， 6（3）： 1380-1384.

[11] Kralik JC， Fan B， Vithana H， et al.Science and Technology Section a-Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1997;301： 249-254.

[12] Zhao YZ， Zhang LY， He ZM， et al.Liq. Cryst. 2015;42（8）： 1120-1123.

[13] Wang L， Dong H， Li Y N， et al.J Am Chem Soc. 2014;136：4480.

[14] Yang H， Mishima K， Matsuyama K， et al.Appl Phy Lett. 2003;82（15） ： 2407-2409.

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

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