RIKEN gjør nye fremskritt i ultrabredt temperaturområde (-180~240 grader) blåfase flytende krystalllaser

Blue-phase liquid crystals (BPLC-er)-lasere, med lav laserterskel, multi-stimulusrespons, flerveis emisjon og rekonfigurerbarhet i sanntid, har store bruksmuligheter innen sensing, visning og anti-forfalskning. For tiden inkluderer forskningen på blåfase flytende krystalllasere justering av laserbølgelengden under eksterne stimuli (f.eks. lys, elektrisitet, varme, kraft, etc.), og det smale temperaturvinduet til selve BPLC-ene har ført til en økende interesse i studiet av BPLC-lasere med bredt temperaturdomene. Bruken av polymerstabiliseringssystemer har med suksess utvidet temperaturområdet til BPLC-er til 500 grader, noe som også fører til tilsvarende utvidelse av temperaturområdet til BPLC-lasere. Sammenlignet med andre organiske lasere gjør den tilfeldige krystalliseringen av små molekyler i mobilfasen i BPLC-er ved lave temperaturer og den dårlige kompatibiliteten mellom fargestoffet og systemet det imidlertid utfordrende å avgi lasere under 0 grader i BPLC-er. Dessuten er arbeidsmekanismen til BPLC-lasere ved lave temperaturer fortsatt uklar. Dette begrenser sterkt de potensielle bruksområdene til BPLC-lasere i andre lavtemperaturmiljøer som polar, dyphavet og verdensrommet. Derfor er utformingen av egnede BPLC-systemer for å møte god systemkompatibilitet og lavtemperatur-frostvæske viktig for utviklingen av lavtemperatur-BPLC-lasere.
For å løse problemene ovenfor har teamet til akademiker Jiang Lei og forsker Wang Jingxia fra Center for Bionanomaterials and Interface Science ved Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, forberedt polymerstabiliserte blåfase flytende krystaller med en bredt spekter av temperaturer (-190 grader ~360 grader) i deres tidligere arbeid (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); ved å justere båndgapsentrene og fargemønsteret til blåfase-flytende krystaller, har vi vært i stand til å oppnå de samme resultatene. Ved å justere det klargjorte båndgapsenteret for blåfase flytende krystaller, fargebestemmelsesparameter, resonanshulromskvalitet og pumpeenergi, har kontrollert en-til-fire-modus overflateemisjonslasing blitt oppnådd i resonanshulrommene til fargedopete blåfase-flytende krystaller (C6-BPLCs) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); de preparerte blåfase flytende krystallene brukes som maler for fremstilling av høyt oppløste flerfarge blåfase flytende krystaller. Ved å bruke de preparerte blå flytende krystallene som maler, ble høyoppløselige flerfargede blå flytende krystaller fremstilt (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); og ved å regulere polymerinnholdet i de blå flytende krystallene, ble polymerstillassystemet til de blå flytende krystallene oppnådd, og temperaturområdet til BPLC-ene ble utvidet til 25~230 grader (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Nylig har forskerteamet oppnådd et bredt lasertemperaturområde ({{0}} grad ) under 0 grad ved rasjonelt systemvalg og design, noe som reduserer tilfeldig krystallisering av små flytende krystallmolekyler ved lav temperaturer ved all-polymerisasjon, og valg av kjedefleksible flytende krystallmonomerer (RM105) og fargestoffmolekyler (DCM) for å forbedre kompatibiliteten til systemet. Det ble vist at all-polymer BPLC-ene viste en smal laserlinjebredde (0,0881 nm) og lav laserterskel (37 nJ/puls) på grunn av god systemkompatibilitet; i mellomtiden økte det helpolymeriserte systemet den fototermiske stabiliteten til prøvene, inkludert tilstrekkelig reflektans/fluorescenssignaler, passende kvanteutbytte og fluorescenslevetider, matchet reflektans og fluorescensspektra, stabil BPLC-fremstilling og høy dekomponeringstemperatur, noe som gjorde at prøvene kunne sender ut laserlys i -180-240 grader . I tillegg er variasjonsreglene for laserbølgelengden og terskelen til BPLC-er ved lav temperatur (<0 ℃) are revealed for the first time, i.e., red-shifted laser wavelength and increasing laser threshold with decreasing temperature, resulting in a red-shifted laser wavelength and a "U"-shaped laser threshold in -180~240 ℃. These unique laser behaviors are related to the temperature-dependent anisotropic deformation of the BP lattice (-180-0 ℃: BPI lattice contracted along the (110) direction; 0-26.7 ℃: almost unchanged BPI lattice; 26.7-240 ℃: BPI lattice accelerated to expand along the (110) direction). This work not only opens the door to low-temperature BPLCs, but also provides important insights into the design of novel organic optical devices.
Resultatene presenteres som superbrede temperaturlasere som strekker seg fra -180 grader til 240 grader basert på Fullpolymerized Blue Phase Superstructures, publisert i Advanced Materials.
Den tilsvarende forfatteren av artikkelen er Dr. Jingxia Wang ved Institutt for fysikk og kjemi, Chinese Academy of Sciences. Yujie Chen, en doktorgradsstudent ved IUPAC, CAS, var den første forfatteren. Mr. Jing Li og Mr. Feng Jin fra IUPAC hjalp til med laserkarakteriseringen av blåfase-flytende krystaller, Prof. Lei Shi fra Institutt for fysikk, Fudan University hjalp til med å karakterisere det fotoniske båndgapet til blåfase-flytende krystaller, og akademiker Lei Jiang fra Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, ga profesjonell veiledning og assistanse for denne studien.
Denne forskningen ble støttet av National Natural Science Foundation of China og det nederlandske forskningsprogrammet til det kinesiske vitenskapsakademiet.

Figur 1. Kjemisk struktur og karakterisering av fullt polymeriserte BPLC-er. a) Kjemiske strukturformler for stoffene som brukes i de fullstendig polymeriserte prøvene av dopede fargestoffer; b) Skjematisk diagram av de mikrostrukturelle endringene til prøvene i -180 - 240 graders lasertemperaturdomene; c) TEM-plott; d) Kossel-tomter; Variabel-temperatur e) Refleksjonsspektra og f) Fluorescensspektra for prøvene på -180 - 240 grader ; g) laserbølgelengde versus temperatur; h) sammenligning av det nåværende arbeidet med driftstemperaturområdet til blåfase flytende krystalllasere i litteraturen.

Figur 2. Sammenligning av ytelsen til dette helpolymersystemet med andre systemer og fargekompatibilitetstest. a) Sammenligning av lasertemperaturområdet; b) Sammenligning av laserterskel ved romtemperatur; c) Fargeløselighetstest under POM c1) 90.0 mg RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6, ved 120 grader . Dette indikerer at DCM har bedre kompatibilitet med RM105. df) Teoretiske beregninger av kohesiv energitetthet (CED), eksperimentelt system: RM105 + RM257 + DCM; kontrollsystem: C6M + C6. Eksperimentsystemet har en større CED og løselighetsparameter (δ) enn kontrollsystemet, noe som tyder på at helpolymersystemet har bedre kompatibilitet enn C6M + C6. g) D) Teoretiske beregninger av DCM, RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 ved 120 grader . (g) DSC-plott, det er bare én glassovergangstemperatur (Tg=26.7 grader ) for prøven av helpolymer, mens det ikke bare er en Tg (-42.94 grader ), men også en krystalliseringstopp (Tc=-24.95 grader) og en faseovergangstopp for den upolymeriserte komponenten (TBP=77.35 grader) for prøven med en polymerisasjonsgrad på 25 vekt%. (TBP= 77.35 grader).
Figur 3. Laseregenskaper for prøvene av helpolymer. ab) Emisjonsspektra, -180-240 grad ; cd) FWHM av laseren ved romtemperatur; e) Laserterskel ved romtemperatur; f) Terskel versus temperatur i en "U"-form.

Figur 4. Fototermisk egenskapsanalyse av alle polymerprøver. a) Termogravimetrisk analyse; bd) In situ variabel temperatur XRD; e) Relative posisjoner av refleksjonstopper og fluorescenstopper ved forskjellige temperaturer; f) Refleksjonssenterbølgelengde/refleksjonsintensitet versus temperatur; Variable temperaturer g) Kvanteutbytter og h) Fluorescenslevetider; i) POM-plott med variabel temperatur på stedet; j) In situ variabel temperatur vinkeloppløste spektre (refleksjonsmodus).

Figur 5. In-situ Kossel-variasjon under temperaturendring av alle-polymerprøver. a) Kossel-tomter; b) Kossel plotter / BP gitter versus temperatur; c) Kossel sentrum sirkulær radius (R) og refleksjonssenter bølgelengde (λ) kontra temperatur (T).

Figur 6. Mikrostrukturelle endringer og andre laseregenskaper til alle polymerprøver under temperaturendringer. a) Endringer av BP-gitteret ved forskjellige temperaturer. a1) BPI-gitteret trukket seg sammen (110); a2) nesten uendret BPI-gitter; a3) akselerert utvidelse av BPI-krystaller langs (110); b) laseremisjon i tre ortogonale retninger x, y og z, pumpeenergi: 0.205 μJ/puls; c) polarisasjonstest av laseren, L/RCP: venstre/høyre sirkulært polarisert lys, pumpeenergi: 0,205 μJ/puls. pumpeenergi: 0,205 μJ/puls.