選擇性反射膽甾相液晶研究進展

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性能及其在液晶光能板、光增亮膜、液晶調光玻璃、液晶調光膜以及激光防護、紅外隱身等各個領域具有非常廣泛的應用前景，因而成為國內外科研工作者的研究熱點，目前，研究者已經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用奠定了基礎。

關鍵詞：液晶;膽甾相;選擇項反射

自然界的物質通常以三種狀態存在：固態（包括晶態和非晶態）、液態和氣態。當外界的條件發生變化時，大多數物質直接由一種相態轉變成另一種相態。但有些特殊結構的物質并不是從晶態直接轉變成液態，而是經過一系列的中間態：一是像晶體的流體，二是像液體的晶體，前者稱為液晶態，后者稱為塑晶態。而液晶就是對處于液晶態下的物質的統稱，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。液晶相變時具有嚴格的焓變和熵變，因此液晶態是熱力學上穩定的相態。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，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、機械應力等外場條件刺激下排列或分子有序度發生變化，從而使器件的光學性質發生改變[1，2]。

在眾多液晶相態中，膽甾相由于其特殊的一維自組裝螺旋結構和選擇性光反射特性而備受研究者的關注。膽甾相被認為是向列相的一種特殊狀態，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構，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用奠定了堅實的基礎，膽甾相液晶寬波反射薄膜不僅可以作為光增亮膜應用于液晶顯示器，還能作為反射層應用于建筑節能、激光防護等領域，這些優點使其具有重要的商業價值[3-8]。然而，如何在所需反射波譜范圍內實現譜帶的拓寬仍是 膽甾相液晶急需解決的關鍵問題之一。本文介紹了近年來寬波反射膽甾相液晶材料的研究進展，并對其應用進行了展望。

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構而可反射 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色團的聯二萘光響應手性分子，并將所制備的分子與向列相液晶混配制備膽甾相液晶，將光響應性膽甾相液晶和層狀膽甾相液晶結構設計進行有機結合，制備了光響應性層狀膽甾相液晶復合薄膜材料。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，也具有光響應性[10]。Kralik 等將分別反射藍光、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中的光增亮效果[11]。Zhao等人通過在液晶盒器件內制備具有左旋性能的聚合物穩定膽甾相液晶薄膜，然后通過洗出灌入法，重新灌入含有右旋聯萘基手性偶氮分子的膽甾相液晶，制備了具有光可調控的雙反射帶膽甾相液晶薄膜，當形成的左旋與右旋螺距相匹配時，在某一波段可實現全反射效果[12]。

通過調節手性化合物螺旋扭曲力變化進而誘導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性的聯萘基偶氮手性分子/上轉換納米粒子/向列相液晶符復合體系。采用980nm的近紅外光替代紫外光來調控復合材料的選擇性反射，并且通過調節近紅外光的強度來間接控制聯萘基偶氮手性分子的手性大小，進而調控液晶復合材料的螺距，從而可以實現紅、綠、藍三種不同反射顏色的光在單一薄膜中的可逆動態調控，還可以避免高強度的紫外光對復合材料造成的損傷[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/手性化合物復合體系，獲得了反射波寬隨溫度升高而變寬的高分子穩定膽甾相液晶薄膜[14]。

膽甾相液晶材料由于其特殊的結構、選擇性光反射及潛在廣泛應用而備受矚目，國內外研究者通過改進手性化合物的結構、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、液晶調光玻璃、液晶調光膜以及激光防護、紅外隱身等各個領域得到廣泛應用。在選擇性反射膽甾相液晶研究領域，開發新材料體系、尋找新方法、簡化制備工藝、降低成本將是未來研究的主導方向。

[參考文獻]

[1] 周其鳳， 王新久. 液晶高分子.[M] 科學出版社， 1994.

[2] 高鴻錦. 液晶化學.[M] 清華大學出版社， 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：陜西省大學生創新創業訓練計劃項目S201912715019

（作者單位：西京學院 理學院，陜西 西安 710123）