导读


最近,日本东京工业大学和加拿大麦吉尔大学开发出一种无染料的新型光配向的方法,它通过光聚合工艺,在时间和空间上引导非偏振光,实现液晶的二维图案。这种新方法为简易地制造高度功能化的有机材料例如柔性液晶设备提供了一条新途径。


关键字

液晶工艺有机柔性


背景

(图片来源:维基百科)

在现有的二维技术中,典型的方法是通过均匀的偏振光,照射添加光敏染料的分子液晶薄膜。它通过染料偶极子与光的偏振轴之间的交互,控制液晶网络的排列。这些系统的缺陷就是需要添加染料,然而这些染料不仅会褪色,而且光特性和稳定性都会退化。因此,机器制造业非常需要无染料的方案。


目前,科学家们只探索出两种无染料的方案。第一种是两步对准法,液晶材料涂有非常薄的含有染料的光控取向层,然后通过聚合作用进行对齐或者固定。这种方法实现了刺激响应型的、二维对齐的液晶或者弹性体,应用于光子、太阳能采集、微流控、软体机器人设备方面都非常成功,但是它比较昂贵和耗时。创造一种具有微对齐图案的微型阵列的薄膜,需要精准和动态控制每个像素的入射光偏振方向,所以这种方法不适合大面积纳米尺度的图案对齐。


开发无染料系统的第二个方案就是使用表面形貌学,克服传统光配向的局限性。在这个方法中,液晶体通过平版印刷技术、纳米印刷技术或者喷墨打印技术,在表面形貌学模板上对齐。这种方法可用作分子排列的二维微缩成像,它也需要多步印刷处理,这样既昂贵又耗时。由于地形模板的表面粗糙,这种方法在薄膜生产中非常困难。


创新


最近,东京工业大学的 Atsushi Shishido 领导的研究小组报告了他们开发出的一种扫描波光聚合的新方法,该方法利用聚焦的引导光进行时间和空间扫描。随着聚合反应的进行,薄膜中的质量流被触发,这带来了入射光图案下的液晶对齐。通过光线触发的质量流,需要进行的对齐可以一步完成。


下图中,A代表了传统的光配向方法实现的分子排列;B代表了通过目前的扫描波光聚合方法实现的分子排列。


(图片来源:东京工业大学)


技术


这种新方法可生成任意的对齐图案,并可在具有各种液晶材料的更大区域进行良好地控制,无需强烈的染料或者另外的处理步骤,这些都是以前的方法无法完成的。此外,该方法还具有实现二维图案中无限复杂性的优势,而它们基本上只受限于光的衍射极限。

(图片来源:东京工业大学)


价值


扫描波光聚合非常容易导入到现有的光生产设施中去,带来更大的经济优势。东京工业大学的科学家们将这种方法看作为一种简单制造高功能性的有机材料的简单途径,这些有机材料在更大范围的纳米尺度上,具有任意的、良好的分子排列图案。


未来


目前,这种扫描波光聚合的新概念受限于厚度小于几十微米的光聚合液晶系统。然而,进一步的研究可以拓展这些材料系统,应用于纳米棒、纳米碳、蛋白质。

参考资料


【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2017/039801.html

【2】Kyohei Hisano, Miho Aizawa, Masaki Ishizu, Yosuke Kurata, Wataru Nakano,
Norihisa Akamatsu, Christopher J. Barrett, Atsushi Shishido. Scanning wave photopolymerization enables dye-free alignment patterning of liquid crystals. Science Advances, 2017; 3 (11): e1701610 DOI: 10.1126/sciadv.1701610


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