[논문 리뷰] Retention and Deformation of the Blue Phases in Liquid Crystalline Elastomers

Kyle R. Schlafmann, Timothy J. White|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 01.

Advanced Materials and Mechanics참고 문헌 52인용 수 62

한 줄 요약

이 논문은 한 번의 광중합 과정을 통해 콜레스테릭성 액정 다아크릴레이트와 이황화 알케인 사슬 이동제를 이용해 완전히 고체인 탄성체 네트워크에서 블루 포지션 I, II, III를 최초로 안정화한 바 있다. 이는 기계적 변형, 열 변화 및 화학적 팽창에 대한 가역적이고 조절 가능한 광학적 반응을 가능하게 하였다. 얻어진 액정 탄성체(LCE)는 열에 거의 민감하지 않지만 기계적 및 화학적 자극에 의해 강한 색상 이동을 보이며, 안정적이고 가역적인 격자 변형을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• Tg < 20°C인 완전히 고체인 탄성체 네트워크에서 고도로 치랄성인 블루 포지션을 안정화하는 방법을 개발하기 위해.
• 높은 교차결합 밀도와 네트워크의 강성으로 인해 탄성체 매트릭스 내에서 3차원 광학 나노구조를 유지하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 기계적, 열적, 화학적 자극을 통해 고체 상태 광학 재료에서 동적인 가역적 광학 반응을 가능하게 하기 위해.
• 블루 포지션 LCE가 열에 거의 의존하지만 기계적 변형과 팽창에 의해 강한, 조절 가능한 반사파장 이동을 보임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 치랄성 다아크릴레이트 단량체(C6M, SLO4151), 치랄 도핑제 R811(15 wt%), 이황화 알케인 BDMT(14.2 wt%), 광시작제 Omnirad 819을 이용한 한 번의 자유 라디칼 광중합.
• 405 nm 빛 조사로 수행된 광정렬 세포를 사용하여 콜레스테릭성 및 블루 포지션 구조의 평면 정렬을 달성.
• 이성상에서 90°C에서 목표 상 상태 온도(예: 70°C, 60°C)로 천천가게 냉각(0.25–2°C/min)하여 상 특이성 중합을 가능하게 함.
• 365 nm(50 mW/cm²)에서 10분간 광중합하여 Tg ≈ 15°C인 경량 교차결합, 가지가지로 연결된 탄성체 네트워크를 형성.
• 편광 현미경(POM), 코셀 회절, DSC, 응력-변형 시험, UV-Vis 투과/반사 스펙트로스코피를 통한 특성 분석.
• 톨루엔, 아세톤, 디클로로메탄을 사용한 용매 팽창 실험을 통해 격자 팽창과 광학 반응을 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 번의 광중합 공정을 통해 Tg < 20°C인 완전히 고체인 탄성체 네트워크에서 블루 포지션 I, II, III를 안정화할 수 있는가?
• RQ2 기계적 변형, 열 사이클링, 화학적 팽창이 블루 포지션 LCE의 격자 주기성 및 선택적 반사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이황화 알케인 사슬 이동제(BDMT)가 탄성체 성질을 유지하면서도 블루 포지션 나노구조를 보존하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 동일한 자극 조건에서 블루 포지션 LCE의 광학 반응이 콜레스테릭성 LCE와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 블루 포지션 LCE의 격자 변형이 얼마나 가역적이고 조절 가능한가?

주요 결과

• 한 번의 광중합을 통해 Tg ≈ 15°C인 완전히 고체인 탄성체 필름에서 블루 포지션 I(BPI)와 블루 포지션 II(BPII)가 성공적으로 안정화되었다.
• BPI 및 BPII LCE의 격자 주기성은 온도 변화에 거의 영향을 받지 않아, 실온에서 150°C로 가열할 경우 반사파장이 10 nm 이내로 이동하는 것으로 나타났다.
• 기계적 변형은 기울어진 격자 평면의 기울임과 함께 선택적 반사의 빨간색 이동을 유도하였으며, 가역적인 광학 반응이 관찰되었다.
• 톨루엔과 디클로로메탄을 이용한 화학적 팽창은 대칭적인 격자 팽창을 유도하여 근적외선 영역으로의 큰 빨간색 이동(예: 디클로로메탄 처리 시 >200 nm 이동)을 초래하였다.
• 광정렬 기술을 통해 BPI 격자 정렬의 공간 패턴화가 가능했으며, 코셀 회절을 통한 확인으로 패턴화된 영역에서 격자 균일성이 향상됨을 입증하였다.
• 가지가지로 연결되고 경량 교차결합된 네트워크 구조가 교차결합 밀도를 억제하여 탄성체 성질을 유지하면서도 3차원 광학 나노구조를 보존하였다.