[論文レビュー] Retention and Deformation of the Blue Phases in Liquid Crystalline Elastomers

Kyle R. Schlafmann, Timothy J. White|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2021

Advanced Materials and Mechanics参考文献 52被引用数 62

ひとこと要約

本論文は、キラルな液体結晶ジアクリル酸エステルとジチオール鎖移動剤を用いた1工程の光重合により、完全に固体的でエラスティックなネットワークにおいて、ブルー位相I、II、IIIを初めて安定化した。これにより、機械的応力、温度変化、化学的膨潤に対する可逆的かつチューニング可能な光子的応答が可能となった。得られた液体結晶エラスマー（LCE）は、最小限の熱的感度を示しながらも、安定的かつ可逆的な格子変形を示し、機械的および化学的刺激に対して顕著な色の変化を示した。

ABSTRACT

The blue phases are observed in highly chiral liquid crystalline compositions that nascently organize into a three-dimensional, crystalline nanostructure. The periodicity of the unit cell lattice parameters is on the order of the wavelength of visible light and accordingly, the blue phases exhibit a selective reflection as a photonic crystal. Here, we detail the synthesis of liquid crystalline elastomers (LCEs) that retain blue phase I, blue phase II, and blue phase III. The mechanical properties and deformation of LCEs retaining the blue phases are contrasted to the cholesteric phase in fully solid elastomers with glass transition temperatures below room temperature. Mechanical deformation and chemical swelling of the lightly crosslinked polymer networks induces lattice asymmetry in the blue phase LCE evident in the tuning of the selective reflection. The lattice periodicity of the blue phase LCE is minimally affected by temperature. The oblique lattice planes of the blue phase LCEs tilt and red-shift in response to mechanical deformation. The retention of the blue phases in fully solid, elastomeric films could enable new functional implementations in photonics, sensing, and energy applications.

研究の動機と目的

• Tg < 20°Cである完全に固体的でエラスティックなネットワークに、高キラル性ブルー位相を安定化するための手法を開発すること。
• 高い架橋密度とネットワークの剛性のため、エラスティックマトリックス内に3次元光子的ナノ構造を保持するという課題を克服すること。
• 機械的、熱的、化学的刺激を通じて、固体状態の光子的材料に動的かつ可逆的な光学的応答を可能にすること。
• ブルー位相LCEが熱的依存性を最小限に抑えつつ、変形および膨潤条件下で顕著でチューニング可能な反射シフトを示すことを実証すること。

提案手法

• キラルジアクリル酸エステルモノマー（C6M、SLO4151）、キラルドーパントR811（15 wt%）、ジチオールBDMT（14.2 wt%）、光開始剤Omnirad 819を用いた1工程のラジカル光重合。
• 405 nm光照射による写真配向セルを用い、コレステリックおよびブルー位相構造の平面配向を実現。
• 90°Cの高温の各相から、ゆっくりとした速度（0.25–2°C/min）で冷却し、目的の相温度（例：70°C、60°C）に到達させることで、相特異的重合を可能にした。
• 365 nm（50 mW/cm²）で10分間の光重合により、Tg ≈ 15°Cの軽度架橋・分岐構造を持つエラスティックネットワークを形成。
• 偏光顕微鏡（POM）、コッセル回折、差熱走査量熱測定（DSC）、応力-ひずみ試験、およびUV-Vis透過/反射分光測定による特性評価。
• トルエン、アセトン、ジクロロメタンを用いた溶媒膨潤実験により、格子拡張および光学的応答を調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1工程の光重合プロセスを用いて、Tg < 20°Cである完全に固体的でエラスティックなネットワークにブルー位相I、II、IIIを安定化させることは可能か？
• RQ2 機械的変形、熱サイクリング、化学的膨潤が、ブルー位相LCEの格子周期性および選択的反射にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ジチオール鎖移動剤（BDMT）は、ブルー位相ナノ構造を保持しつつエラスティックな挙動を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 同一の刺激条件下で、ブルー位相LCEの光学的応答はコリステリックLCEと比べてどのように異なるか？
• RQ5 ブルー位相LCEにおける格子変形は、どの程度可逆的かつチューニング可能か？

主な発見

• ブルー位相I（BPI）およびブルー位相II（BPII）は、1工程の光重合により、Tg ≈ 15°Cの完全に固体的でエラスティックな膜に安定化された。
• BPIおよびBPIIのLCEにおける格子周期性は、温度変化に対してほとんど影響を受けず、室温から150°Cに加熱しても反射波長が10 nm未満にしかシフトしなかった。
• 機械的変形により、斜めの格子面の傾きが生じ、選択的反射が赤方シフトを示し、可逆的な光学的応答が観察された。
• トルエンおよびジクロロメタンによる化学的膨潤により、対称的な格子拡張が生じ、近赤外域への大きな赤方シフト（例：ジクロロメタンでは>200 nmシフト）が観察された。
• 写真配向により、BPI格子の配向を空間的にパターン化可能であり、コッセル回折によりパターン部における格子の均一性が向上していることが確認された。
• 分岐構造で軽度架橋されたネットワーク構造により、架橋密度が抑制され、エラスティック性を維持しながらも3次元光子的構造を保持できた。