[论文解读] 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 62

一句话总结

该论文通过一步光聚合工艺，首次在完全固态的弹性网络中实现了蓝相 I、II 和 III 的稳定保留，使用手性向列型二丙烯酸酯与二硫醇链转移剂，实现了对机械应变、温度变化和化学溶胀的可逆、可调谐光子响应。所得的液晶弹性体（LCEs）表现出稳定、可逆的晶格形变，热敏感性极低，但在机械和化学刺激下表现出显著的颜色变化。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在玻璃化转变温度 Tg < 20°C 的完全固态弹性网络中稳定高度手性蓝相的方法。
• 克服因高交联密度和网络刚性导致在弹性基质中保留三维光子纳米结构的挑战。
• 通过机械、热和化学刺激，实现在固态光子材料中的动态、可逆光学响应。
• 证明蓝相LCE在形变和溶胀下表现出极低的热依赖性，但具有强烈且可调谐的反射波长偏移。

提出的方法

• 使用自由基光聚合一步聚合手性二丙烯酸酯单体（C6M，SLO4151）、手性掺杂剂 R811（15 wt%）、二硫醇 BDMT（14.2 wt%）和光引发剂 Omnirad 819。
• 利用 405 nm 光照实现的光取向细胞，实现向列相和蓝相结构的平面取向。
• 从 90°C 各向同性相缓慢冷却至目标相变温度（如 70°C、60°C），冷却速率控制在 0.25–2°C/min，以实现相特异性聚合。
• 在 365 nm 光照下（50 mW/cm²）聚合 10 分钟，形成玻璃化转变温度 ≈ 15°C 的轻度交联、支化弹性网络。
• 通过偏光显微镜（POM）、Kossel 衍射、差示扫描量热法（DSC）、应力-应变测试以及紫外-可见透射/反射光谱法进行表征。
• 使用甲苯、丙酮和二氯甲烷进行溶剂溶胀实验，以探测晶格膨胀和光学响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一步光聚合工艺，在 Tg < 20°C 的完全固态弹性网络中稳定保留蓝相 I、II 和 III？
• RQ2 机械形变、热循环和化学溶胀如何影响蓝相LCE的晶格周期性和选择性反射？
• RQ3 二硫醇链转移剂（BDMT）在实现弹性行为的同时，如何在保留蓝相纳米结构方面发挥作用？
• RQ4 在相同刺激条件下，蓝相LCE的光学响应与向列相LCE相比如何？
• RQ5 蓝相LCE中的晶格形变在多大程度上是可逆且可调谐的？

主要发现

• 通过一步光聚合，成功在 Tg ≈ 15°C 的完全固态弹性薄膜中保留了蓝相 I（BPI）和蓝相 II（BPII）。
• BPI 和 BPII LCE 的晶格周期性受温度影响极小，当温度从室温升至 150°C 时，反射波长偏移小于 10 nm。
• 机械形变引起晶面倾斜，选择性反射发生红移，且观察到可逆的光学响应。
• 使用甲苯和二氯甲烷溶胀诱导对称的晶格膨胀，导致反射波长发生显著红移（如二氯甲烷溶胀时红移超过 200 nm）。
• 光取向实现了 BPI 晶格取向的空间图案化，Kossel 衍射证实图案化区域的晶格均匀性得到提升。
• 支化、轻度交联的网络结构抑制了交联密度，实现了弹性，同时保持了三维光子结构。