【產(chǎn)通社，10月18日訊】東南大學(xué)（Southeast University）官網(wǎng)消息，智能材料研究院院長、首席科學(xué)家、化學(xué)化工學(xué)院李全及其團(tuán)隊克服液晶傾斜螺旋超結(jié)構(gòu)材料系統(tǒng)結(jié)晶難題，提出創(chuàng)新策略，使其結(jié)晶穩(wěn)定性從1天以內(nèi)突破至1年以上。該研究解決了長期以來難以攻克的難題，標(biāo)志著場致動態(tài)光子材料與結(jié)構(gòu)邁向工程化應(yīng)用的重要里程碑。該研究不僅深化了對新型液晶材料與相態(tài)豐富物理內(nèi)涵的理解，還為其在軟物質(zhì)和先進(jìn)光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐。相關(guān)成果以“Hyper-stable field-stimulated soft cholesteric heliconical architectures”為題，在線發(fā)表在國際著名期刊Matter上。論文通訊作者是李全與其團(tuán)隊前成員、華東理工大學(xué)物理學(xué)院院長鄭致剛教授。

探尋動態(tài)可控新型光子器件的前沿發(fā)展與應(yīng)用潛能，其核心在于構(gòu)筑外場可控的先進(jìn)光子材料與組裝序構(gòu)。具有刺激-響應(yīng)的液晶材料在手性環(huán)境中可自組裝成百納米量級的螺旋超結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出獨特的結(jié)構(gòu)與光相互作用，在多自由度動態(tài)光場調(diào)控等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。通過低電場操控液晶螺旋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)其光子帶隙的寬動態(tài)范圍調(diào)制，始終是工程化應(yīng)用的最佳選擇。然而，由于常規(guī)螺旋組裝中液晶介電各向異性與分子扭曲之間的相互競爭，導(dǎo)致光子帶隙調(diào)制始終面臨著調(diào)諧范圍狹窄、驅(qū)動電場高、光學(xué)效率低等難題。

團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)一種新型液晶傾斜螺旋超結(jié)構(gòu)，其中液晶分子在弱電場作用下自發(fā)形成沿電場方向的一維螺旋周期結(jié)構(gòu)，并沿螺旋軸方向傾斜，如圖所示。這種獨特的分子組裝行為使得傾斜螺旋結(jié)構(gòu)的傾斜角度θ 和螺距P 可依據(jù)電場強(qiáng)度的變化實現(xiàn)寬范圍的連續(xù)可逆調(diào)制，從而呈現(xiàn)出低電場操控的寬動態(tài)范圍內(nèi)的光譜調(diào)制（近紫外-全可見光-近紅外），且光學(xué)無畸變。因此，液晶傾斜螺旋超結(jié)構(gòu)成為最理想的外場激勵軟光子材料之一。然而，液晶傾斜螺旋的工程化推進(jìn)受到材料體系室溫穩(wěn)定性的嚴(yán)重限制。在短時間內(nèi)，材料體系迅速發(fā)生結(jié)晶和相分離現(xiàn)象，這主要源自液晶二聚體材料的低溫不穩(wěn)定導(dǎo)致。目前針對二聚體液晶結(jié)晶問題的探索仍然非常有限，對其結(jié)晶行為的理解也相對薄弱。盡管科學(xué)工作者尋求了多種抑制結(jié)晶的方案，包括修飾二聚體官能團(tuán)、急速冷卻、聚合物穩(wěn)定等，但問題仍未從根源上獲得突破。 

借助偏光顯微觀測、差熱掃描分析、X射線衍射、電壓-電容分析、分子動力學(xué)模擬等多種策略，深入探究多種液晶二聚體的錯綜復(fù)雜相互作用，通過精妙地耦合液晶二聚體材料的分子曲率、中心柔性及其與向列液晶的相容性，增強(qiáng)分子氰基聯(lián)苯的空間自由度并產(chǎn)生低聚物分子鏈糾纏效應(yīng)，從而賦予體系更復(fù)雜的分子構(gòu)象分布與相互作用。這一策略顯著增強(qiáng)了材料體系的過冷態(tài)能量閾值，從而獲得室溫穩(wěn)定的過冷液晶態(tài)，從根源上抑制了結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生。所創(chuàng)制的超穩(wěn)定傾斜螺旋材料體系，即使經(jīng)歷1年以上的存放、反復(fù)外場刺激，不僅無任何結(jié)晶發(fā)生，材料的物理性能，如介電參量與彈性效應(yīng)也無任何退化。相應(yīng)地，基于該材料體系構(gòu)筑的液晶傾斜螺旋超結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)特性與光學(xué)效應(yīng)，呈現(xiàn)為弱電場驅(qū)動的寬動態(tài)范圍反射色與反射光譜調(diào)制，其調(diào)諧范圍超過600 nm。且這種反射光譜與電場強(qiáng)度的調(diào)制性之間呈現(xiàn)可靠的匹配度與對應(yīng)性，均無明顯畸變或遲滯現(xiàn)象。這無疑為未來先進(jìn)光子學(xué)應(yīng)用奠定了堅實的材料基礎(chǔ)與平臺。

該研究工作得到了“江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊”、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。查詢進(jìn)一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://news.seu.edu.cn，以及http://doi.org/10.1016/j.matt.2023.07.027（Robin Zhang，張底剪報）    （完）