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江雷院士、王京霞教授JACS:实现蓝相液晶微结构精准操控

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蓝相液晶(BPLC)因其独特的三维螺旋超结构和优异的光学性能,在集成光子学、激光显示和光学加密等领域展现出巨大潜力。然而,如何实现高分辨率、单畴结构的BPLC微腔阵列的精确制备与相态调控,一直是制约其实际应用的关键难题。当前BPLC微图案化技术往往难以兼顾分辨率与质量,且缺乏对相态行为的精准控制,限制了其在先进光学系统中的集成与应用。

近日,中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞教授和岳钰琛博士团队提出了一种创新的“软限制组装”策略,成功实现了单畴蓝色相液晶微腔阵列的高精度图案化制备。该方法通过设计具有可控曲率的微槽结构,有效调控了BPLC的成核动力学与相变行为,首次实现了从BPII到BPI的精准相态控制,并以此为基础构建了四模态光学加密系统,为光子通信与激光显示等领域提供了新的技术思路。相关论文以“Curvature-Dependent Phase Manipulation of Monodomain Three-Dimensional Helical Superstructures from Soft Confined Assembly”为题,发表在

JACS
上。

研究团队首先通过软模板法制备了具有精确微槽结构的PDMS模板,将BPLC混合物在高于清亮点温度下填入微槽中。随着系统冷却,BPII晶核在微槽内优先成核并沿槽向定向生长(图1a)。在此过程中,手性分子驱动液晶分子形成双扭曲圆柱体,交联剂填充缺陷并稳定BPLC结构,最终实现从简单立方结构的BPII到体心立方结构的BPI的均匀转变(图1a₃)。该方法适用于可聚合与非聚合体系,制备出的BPLC微腔阵列宽度仅为2微米,分辨率高达1270 ppi(图1c-d)。通过反射光谱与Kossel衍射等手段证实,所得阵列为高度有序的单畴BPI结构,光学质量优异(图1e-g)。

图1:高分辨率单畴BPLC微腔阵列的制备与表征。(a)BPLC微腔阵列的制备流程示意图;(b)含BPLC微腔阵列的柔性薄膜照片;(c)偏光显微镜图像显示均匀分布的BPI阵列;(d)扫描电镜图像显示微腔宽度约为2微米;(e)聚合前后BPLC的光子带隙反射峰位置对比;(f)Kossel衍射图显示BPI沿(110)方向的典型菱形图案;(g)同步小角X射线散射图案显示有序的BPLC结构。

为深入理解BPLC在软限制环境下的组装机制,研究人员利用原位偏光显微镜、反射光谱和透射电镜实时观测了微槽内BPII的定向生长与相变过程(图2)。结果显示,BPLC优先在微槽的特定位置成核,随后沿槽向延伸;随着温度降低,BPII逐渐转变为BPI,反射峰从447 nm迁移至513 nm(图2c)。通过系统优化表面浸润性、冷却速率和微槽尺寸等参数,可获得缺陷极少、排列高度一致的单畴BPLC阵列(图2e-f)。尤其值得注意的是,微槽宽度对BPLC的相变温度具有显著影响,宽度越小,相变温度越高,且BPLC的稳定温区变窄,说明几何限制增强了BPLC的组装难度与可控性(图2f)。

图2:通过SCA策略对单畴BPLC的原位观测与优化。(a-b)BPLC阵列的示意图与原位偏光显微镜图像;(c)从各向同性态到BPII再到BPI的原位反射光谱;(d)BPLC相变过程的透射电镜图像;(e)通过调控表面浸润性、冷却速率和几何尺寸优化BPLC阵列;(f)微槽宽度与BPLC相变温度的关系。

在成功制备高质量微腔阵列的基础上,团队进一步展示了其在激光发射方面的优异性能。通过调节手性掺杂浓度,可精确调控光子带隙在450–650 nm范围内连续变化,并与不同荧光染料(如Coumarin-500、Coumarin-6和DCM)的发射峰匹配,实现高效光放大(图3a-b)。在脉冲激光激发下,微腔阵列表现出低阈值(最低128 μJ/cm²)、窄线宽(<0.1 nm)和高品质因数(Q因子达1.3×10⁴)的激光输出(图3c-d),显著优于传统胆甾相液晶激光器,展现出优越的光学限域与反馈能力。

图3:BPLC微腔阵列的激光性能。(a)不同几何形状与带隙的BPLC微腔阵列荧光显微镜图像;(b)调谐光子带隙与荧光染料发射峰匹配的反射与发射光谱;(c)不同泵浦能量下的激光发射光谱;(d)不同颜色激光的阈值与输入-输出曲线。

研究中最引人注目的发现是微槽曲率对BPLC相态行为的调控作用。如图4所示,在相同温度下,曲率较大的微槽(如字符“C”“P”)中BPLC更快完成从BPII到BPI的相变,而直槽(如“T”“I”)中相变进程显著滞后。这一现象可通过经典成核理论解释:曲率表面降低了达到临界成核尺寸所需的表面自由能,从而显著降低整体成核势垒(图4b-c)。通过设计不同曲率的微槽结构,可实现BPLC相态在空间上的程序化分布(图4d),为动态光学调控提供了新手段。

图4:不同曲率BPLC微腔的成核势垒控制。(a)BPLC在“TIPC”图案中的偏光显微镜图像;(b)曲槽与直槽中BPLC相变过程示意图;(c)曲率对成核势垒的影响机制;(d)不同曲率微槽中BPLC的定向生长顺序。

基于上述曲率依赖的相态控制,研究团队成功构建了一种集几何形状、相态结构、结构色与激光信号于一体的四模态光学加密系统(图5)。在加密状态下,通过高温控制,仅部分区域呈现BPII蓝色结构色,其余区域保持暗态;降温解密后,不同区域分别转变为BPI绿色或保持BPII蓝色,同时伴随不同的激光发射行为,形成多重防伪与信息保护机制。该加密系统具有高安全性、独特性和可重构性,为光学信息加密与安全传输提供了全新解决方案。

图5:集成相态、结构色、几何形状与激光信号的四模态光学加密。(a)基于不同相态的“TIPC”信息加密模型;(b)加密与解密状态的偏光显微镜图像;(c)基于不同激光信号的加密模型;(d)加密与解密状态下的激光发射信号。

该研究不仅建立了一种高效、高分辨率的单畴BPLC微腔阵列制备方法,还首次揭示了曲率对BPLC成核与相变的调控机制,实现了从材料制备到功能集成的跨越。通过四模态光学加密系统的成功演示,展现了BPLC在先进光子器件、激光显示与信息安全领域的广阔应用前景。此项工作为下一代集成光学系统的发展奠定了坚实基础,也为软物质螺旋超结构的可控组装提供了新范式。

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