中国科学家在液晶倾斜螺旋超结构稳定性上取得重要突破
2023年8月18日，华东理工大学郑致刚教授联合东南大学李全教授在Matter期刊上发表了一篇题为“Hyper-stable field-stimulated soft cholesteric heliconical architectures”的研究成果。
该成果报道了克服液晶倾斜螺旋超结构材料系统结晶难题的创新策略，使其结晶稳定性从1天以内突破至1年以上。解决了长期以来难以攻克的挑战，标志着场致动态光子材料与结构迈向工程化应用的重要里程碑。该研究不仅深化了对新型液晶材料与相态丰富物理内涵的理解，还为其在软物质和先进光子学领域的进一步应用提供了强有力的支撑。
论文通讯作者是华东理工大学郑致刚教授、东南大学李全教授；第一作者是华东理工大学博士研究生袁丛龙、硕士研究生陈佳骏。
探寻动态可控新型光子器件的前沿发展与应用潜能，其核心在于构筑外场可控的先进光子材料与组装序构。具有刺激-响应的液晶材料在手性环境中可自组装成百纳米量级的螺旋超结构，呈现出独特的结构与光相互作用，在多自由度动态光场调控等方面展现出巨大的应用潜力。通过低电场操控液晶螺旋结构实现其光子带隙的宽动态范围调制，始终是工程化应用的最佳选择。然而，由于常规螺旋组装中液晶介电各向异性与分子扭曲之间的相互竞争，导致光子带隙调制始终面临着调谐范围狭窄、驱动电场高、光学效率低等难题。
近期，研究人员发现一种新型液晶倾斜螺旋超结构，其中液晶分子在弱电场作用下自发形成沿电场方向的一维螺旋周期结构，并沿螺旋轴方向倾斜，如图1所示。这种独特的分子组装行为使得倾斜螺旋结构的倾斜角度θ和螺距P可依据电场强度的变化实现宽范围的连续可逆调制，从而呈现出低电场操控的宽动态范围内的光谱调制（近紫外-全可见光-近红外），且光学无畸变。因此，液晶倾斜螺旋超结构成为最理想的外场激励软光子材料之一。然而，液晶倾斜螺旋的工程化推进受到材料体系室温稳定性的严重限制。在短时间内，材料体系迅速发生结晶和相分离现象，这主要源自液晶二聚体材料的低温不稳定导致。目前针对二聚体液晶结晶问题的探索仍然非常有限，对其结晶行为的理解也相对薄弱。尽管科学工作者寻求了多种抑制结晶的方案，包括修饰二聚体官能团、急速冷却、聚合物稳定等，但问题仍未从根源上获得突破。
图1：液晶倾斜螺旋超结构的结构组装与宽范围反射光调制。
在这项工作中，郑致刚教授团队基于课题组前期对倾斜螺旋超结构的坚实研究基础（Nat. Commun., 2022, 13, 2712；Sci. Adv., 2019, 5, eaax9501）联合东南大学李全教授团队，借助偏光显微观测、差热扫描分析、X射线衍射、电压-电容分析、分子动力学模拟等多种策略（图2），深入探究多种液晶二聚体的错综复杂相互作用，通过精妙地耦合液晶二聚体材料的分子曲率、中心柔性及其与向列液晶的相容性，增强分子氰基联苯的空间自由度并产生低聚物分子链纠缠效应，从而赋予体系更复杂的分子构象分布与相互作用。这一策略显著增强了材料体系的过冷态能量阈值，从而获得室温稳定的过冷液晶态，从根源上抑制了结晶现象的发生。
图2：液晶二聚体材料结晶与相变行为分析。
所创制的超稳定倾斜螺旋材料体系，即使经历1年以上的存放、反复外场刺激，不仅无任何结晶发生，材料的物理性能，如介电参量与弹性效应也无任何退化（图3）。相应地，基于该材料体系构筑的液晶倾斜螺旋超结构表现出强大的结构特性与光学效应，呈现为弱电场驱动的宽动态范围反射色与反射光谱调制，其调谐范围超过600 nm。且这种反射光谱与电场强度的调制性之间呈现可靠的匹配度与对应性，均无明显畸变或迟滞现象（图4）。这无疑为未来先进光子学应用奠定了坚实的材料基础与平台。
图3：液晶倾斜螺旋材料体系结晶稳定性统计。
图4：超稳定倾斜螺旋超结构的可靠外场驱动性。
该研究工作得到了国家重点研发计划（2022YFA1203700、2022YFA1405000）、国家自然科学基金重点项目（62035008）、面上项目（62275081）、国家优秀青年科学基金（61822504）、上海市科技创新计划重大项目（2021-01-07-00-02-E00107）、上海市曙光计划（21SG29）等项目的资助。（来源：科学网）
