“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

生活中处处有色彩。如图1左图的花朵,是由色素带来的颜色。而如图1右图的孔雀羽毛,是由羽毛中黑色素的有序排列带来的颜色,类似孔雀羽毛的材料可以称为光子晶体。

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图1 (左)橙色的花朵,(右)蓝绿色的孔雀羽毛(图片来自网络)

液晶常用于手机电视、电脑的显示器(图2),相信大家都不陌生。今天要介绍的就是液晶材料中一种,能产生变化结构色的“丑小鸭”——疏水蓝相聚合物模板。

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图2 各种各样的显示器(图片来自网络)

蓝相液晶(Blue phase liquid crystal,BPLC),是一种手性液晶。其双扭柱结构(图3)组成的三维阵列结构(图4A),可使其在可见光范围内具有选择性反射,产生亮丽的结构色彩,如孔雀羽毛一般,是一种光子晶体。

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图3 双扭柱结构

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图4 通过透射电镜及Kossel 衍射证明蓝相液晶结构擦写过程的可重构性

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图5 蓝相液晶薄膜的制备及图案打印制备的流程图及相关结果

以绿色薄膜(图5B1)为例,首先利用液晶盒,制备鲜绿色的蓝相聚合物(≈聚合液晶 非聚合液晶)。接着,经过有机溶剂浸泡和干燥,洗掉非聚合液晶,得到蓝相聚合物模板,并进行疏水处理。在这个过程中,绿色消失了,薄膜变成无色(图5B2)。

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图6 上:天鹅与丑小鸭(图片来自网络),下:打印后变色的疏水蓝相模板

那么,薄膜变得无色,是薄膜坏了吗?其实并没有,只是薄膜反射紫外光,人眼看不到了(见图6B5中的紫色峰)。因此再次填充液晶,就能打印出彩色图案。

无色薄膜——“丑小鸭”,原本就是彩色薄膜——“天鹅”,保留了聚合液晶的排列结构。因此在打印后,随着时间推移,可以逐渐表现出其天鹅般的色彩。

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图7 所打印的可程序化变色的多彩“活”图案

不同于需要多彩墨水的一般打印,我们可以通过控制单一墨水(5CB,无色液晶)在疏水蓝相模板薄膜的分散,实现无色墨水在无色薄膜上打印彩色高精度“活”图案:打印图案的形状和颜色可以随时间可控变化。

如图6B中随着时间变化,绿色的莲花图案变成蓝色。

如图7C、D中的苹果图案,我们使用“天鹅”状态为黄色的模板,在苹果叶子与果肉图案上打印不同体积的墨水,随着时间增加,叶与果的颜色逐渐显示出区别。

而图7E中的四叶图案,也用了黄色的模板,使每片叶子打印不同体积的墨水的情况下,随着时间增加,黄色的叶子分别逐渐变为深蓝色,浅蓝色,绿色和橙色。

这种多彩变色,是由墨水在模板中渗透引起的聚合物膨胀程度不同造成的。

此外,与疏水蓝相模板对比,普通蓝相模板较难得到规则均匀的图案。如图7B1、7C1(普通模板)和7B2、7D(疏水模板)打印的结果对比,疏水蓝相模板薄膜具有更高精度的打印效果。

“丑小鸭”:疏水蓝相聚合物模板

图8 可逆擦写的高分辨图案的打印结果

最后,疏水蓝相模板还可以循环打印。如图8C所示,擦洗斑马图案后,打印了人像,第三次打印的蒙娜丽莎也保持了图案的精确性。

相比程序化变色的前人工作,本篇工作基于普通商用材料,无需特殊响应性分子和特定外场刺激,结合喷墨打印技术即实现了图案的设计及高分辨性,具有创新性。该工作对于发展新型的蓝相液晶类光学材料和器件具有重要的推动作用。

相关研究结果以High-resolution Erasable “Live” Patterns Based on Controllable Ink Diffusion on the Three-dimensional Blue-phase Liquid Crystal Network为题发表在Advanced Functional Materials(DOI10.1002/adfm.202110985)。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110985

来源:中国科学院理化技术研究所