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中科院理化所江雷院士、王京霞研究員團隊 Adv. Mater.：在可拉伸藍相液晶彈性體激光器方面取得新進展

2025-01-30 來源：高分子科技

藍相液晶（BPLC）是以雙扭柱結構為基本組裝單元形成的三維手性周期結構，展示了窄帶隙、圓偏振性及可調諧性等獨特而優異的光學性能，因而在超快響應顯示器、可調諧激光器等先進光學器件領域展現出非凡的潛力。藍相液晶彈性體（BPLCE）能有機結合BPLC的優異光學性能及彈性體的優良機械柔韌性，為柔性光電子器件發展提供了創新應用。特別是基于BPLCE的機械可調激光器，為柔性顯示和信息傳輸提供了新的應用前景。然而，開發可拉伸的BPLCE激光器面臨著挑戰：一方面，需保證其在拉伸過程中藍相晶格的變形和取向變化不影響其激射的產生，且確保其反射峰與熒光峰的匹配。另一方面，拉伸通常發生在開放體系，這要求BPLCE具有較寬的工作溫域，能應對復雜環境的溫度變化。

為解決上述問題，中科院理化所仿生材料與界面科學中心江雷院士、王京霞研究員團隊在藍相液晶制備表征方面開展了系列創新性的研究工作。首先發展了基于商用液晶原料制備具有超寬藍相結構溫域（-180~390 ℃）的聚合物穩定藍相液晶膜（J. Mater. Chem. C 2019，7，9460），然后通過多表征手段揭示了藍相液晶的馬氏體轉變特征（Nature Commun. 2021，12, 3477）及聚合物穩定藍相液晶體系的熱光穩定性（Adv. Funct. Mater. 2024，2412439）。然后揭示了藍相液晶優異的光學性能及高品質、低閾值的激光特性：通過調控藍相光子晶體帶隙實現了藍相激射行為從單、雙、三、及四模激射的調控（Adv. Mater., 2022, 34, 2108330）；通過調控藍相液晶的聚合物含量，得到性能優良的藍相液晶聚合物支架體系，制備得到寬激光溫域（25~230 ℃）藍相液晶聚合物（Adv. Mater. 2022, 34, 2206580）；進一步通過采用全聚合體系降低液晶小分子的低溫隨機結晶，優化的液晶單體（RM105）和染料分子（DCM）的體系相容性，成功實現了0 ℃以下超寬激光溫域（-180~240 ℃）的藍相聚合材料（Adv. Mater. 2024, 36, 2308439）。在此基礎上，本課題組充分利用藍相液晶三維光子晶體的高色彩飽和度及偏振性特點，將其用于可打印的光子紙（J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 13764; Adv. Fucnt. Mater., 2022, 32, 2110985），并通過調控研究墨水滲透過程中對顏色的時空變化及手性變化規律，實現了具有時空可控的雙手性藍相液晶圖案制備（Adv. Mater., 2024, 2411988）。這些研究成果為可拉伸BPLCE激光器的發展奠定了堅實基礎。

近日，理化所仿生材料與界面科學中心江雷院士、王京霞研究員團隊聯合低溫材料與應用超導研究中心李來風研究員團隊及降解塑料與工程塑料研究中心王萍麗高級工程師，通過結合全交聯和部分交聯藍相聚合物網絡優化聚合物藍相體系，制備了在光學、熱學和機械調諧方面都具有優異性能的BPLCE，成功開發了具有光學穩定性的可拉伸BPLCE液晶激光器，首次實現了44.43 nm可拉伸激光調控。通過多種表征方法（Kossel衍射、同步輻射小角X射線散射、反射光譜和偏光顯微鏡）研究了BPLCE在不同應變/溫度條件下的光學特性和晶格結構變化，首次闡明了拉伸過程對BP微觀結構和宏觀性能的影響，揭示了拉伸過程中藍相I晶格的非線性變形行為：在應變ε＜40%時藍相結構能很好保持，確保其反射峰和熒光峰之間具有良好的匹配關系，從而產生高質量、可拉伸的單峰激光，而當應變超過40%后，藍相晶格坍塌，偏振特性消失。此外，還研究了其在不同應變條件下的熱穩定性及低溫條件下（≤10 ℃）的優異機械/光學性能。并初步展示了BPLCE獨特的三維激光特性與圓偏振激光性。最終成功制備了可拉伸的BPLCE激光器，可通過調控拉伸過程以調節激光發射，所制備樣品在較寬溫度范圍內（-20~100 ℃）表現出穩定的單峰激光現象。基于BPLC獨特的三維光子特性與圓偏振性，該柔性激光器在3D應力傳感與復雜形態檢測方面展現出優秀性能，為柔性可穿戴設備與智能傳感技術的發展注入了新活力。

該研究成果以“Stretchable Blue Phase Liquid Crystal Lasers with Optical Stability Based on Small-Strain Nonlinear Three-Dimensional Asymmetric Deformation”為題，發表在Advanced Materials。該文章通訊作者為王京霞研究員、孫文濤高級工程師、王萍麗項目正高級工程師。中國科學院理化所博士生陳彥青和鄭成林為文章共同第一作者。理化所孫文濤高級工程師為藍相液晶彈性體的低溫力學測試和分析提供幫助，王萍麗項目正高級工程師為藍相液晶彈性體的設計及表征提供指導和幫助。理化所李敬高級工程師和北京石油化工學院金峰教授為其中的激光測試提供幫助。相關藍相液晶晶格結構的表征由上海高能所李秀宏研究員協助完成（BL10U1線站），中國科學院理化所李來風研究員和江雷院士為本研究提供了專業指導和幫助。

圖1. a) 樣品在不同溫度下通過聚合保留的各向同性相、BPIII、BPII、BPI和膽甾相的POM圖像（上）和Kossel圖（下）。b) BPLCE體心立方結構和聚合物網絡示意圖。包括單體分子式和拉伸前后部分和完全交聯網絡的示意圖。c) 制備的BPLCE及BPLCE激光器的性能與文獻對比。

圖2. 不同拉伸狀態下制備的BPLCE的表征。a) 光學照片，b) 國際照明委員會（CIE）1931顏色空間色度圖（顏色從紅色到藍色）。c) 拉伸過程BPI(110)晶格取向相對于薄膜取向的圖示。Kossel衍射圖 (d₁) 和相應的理論示意圖 (d₂)，以及 (d₃) 不同應變下BPLCE晶格單軸變形的Kossel數值分析（L_x，L_y是圖d₂中 () 和 (011) 或 (101) 和 ) 晶面之間的距離，l是常數）。e₁、e₂) 不同應變下的2D USAXS圖案（虛線圓上的衍射斑點為{211}_BPI以及{220}_BPI晶面族）和e₃) 1D USAXS曲線。f) 拉伸循環穩定性。

圖3. a, b) 通過POM (a) 和Kossel衍射 (b) 表征BPLCE在不同拉伸狀態下從30 ℃到190 ℃的溫度穩定性。不同溫度和拉伸狀態下樣品的 a₁) 原位POM圖像，a₂) 反射波長的相應變化，a₃) 反射強度。b₁) 原位Kossel圖和 b₂) 分析示意圖。c) 低溫下BPLCE的應力-應變曲線。d) 在液氮上方約-10 ℃的溫度下拉伸時，BPLCE的光學照片（上）和紅外熱成像（下）。e) 在液氮和室溫之間的20個冷卻循環中，每次室溫恢復后獲得的BPLCE反射中心波長的變化（插圖：循環過程中室溫下的光學照片）。

圖4. 基于染料DCM摻雜的D-BPLCE的寬溫域可拉伸激光器。a) 制備的柔性D-BPLCE在拉伸狀態下的變溫實驗示意圖。b₁) D-BPLCE在不同泵浦能量下的激發行為。b₂) 發射強度與激發能量的函數圖（插入：激光峰值具有0.0516 nm的窄線寬，激發功率為0.220 μJ/pulse）。b₃) D-BPLCE的典型激光發射和反射光譜，也顯示了DCM染料的熒光峰。c₁) 不同應變下的激發行為，以及 c₂) 反射和激光之間的關系。d₁) 室溫以下未拉伸D-BPLCE的激發行為。d₂) 拉伸5%后加熱的D-BPLCE的激發行為。

圖5. 基于D-BPLCE的三維右旋圓偏振柔性激光器的應用。a) 小應變下三維RCP激光拉伸示意圖。b) 激光在三個不同正交方向x、y和z上的發射 (i) 以及相應的激發能量和發射強度之間的關系 (ii)。c) D-BPLCE中左/右圓偏振（L/RCP）激光在拉伸前后的發射光譜。d) 基于D-BPLCE的3D力學感知。i) 圖案化樣品初始狀態的光學照片和不同應變下圖案邊緣的POM圖像。ii) 不同應變下，圖案化區域三個方向上的激光行為（虛線表示初始狀態下的激光峰值)。iii) 從激光信號的變化中獲得的樣品拉伸方向。e) 當用作光子皮膚時，D-BPLCE對復雜形態的高度適應性。i) 示意圖，ii) 光子皮膚由于高度產生不同的激發行為：隨著高度的降低，手指彎曲逐漸增加，激光峰值逐漸藍移直到消失。

研究得到了國家自然科學基金項目（項目編號：52373001、51873221、52073292、51673207、51373183和21988102）、中荷國際合作項目（1A111KYSB20190072）、中國聯合燃氣輪技術有限公司J227項目等的資助支持。

文章請見網頁 https://doi.org/10.1002/adma.202416448

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（責任編輯：xu）

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