RIKEN gør nye fremskridt inden for ultrabredt temperaturområde (-180~240 grader) blå fase flydende krystallaser

Blue-phase flydende krystaller (BPLC'er) lasere, med deres lave lasertærskel, multi-stimulus respons, multi-directional emission og real-time rekonfigurerbarhed, har store anvendelsesmuligheder inden for sensing, visning og anti-forfalskning. I øjeblikket omfatter forskningen i blåfase-flydende krystallasere tunbarheden af ​​laserbølgelængden under eksterne stimuli (f.eks. lys, elektricitet, varme, kraft osv.), og det smalle temperaturvindue i selve BPLC'erne har ført til en stigende interesse i studiet af BPLC-lasere med bredt temperaturdomæne. Indførelsen af ​​polymerstabiliseringssystemer har med succes udvidet temperaturområdet for BPLC'er til 500 grader, hvilket også fører til den tilsvarende udvidelse af temperaturområdet for BPLC'er-lasere. Sammenlignet med andre organiske lasere gør den tilfældige krystallisation af små molekyler i den mobile fase i BPLC'er ved lave temperaturer og den dårlige kompatibilitet mellem farvestoffet og systemet det imidlertid udfordrende at udsende lasere under 0 grader i BPLC'er. Desuden er arbejdsmekanismen for BPLC-lasere ved lave temperaturer stadig uklar. Dette begrænser kraftigt de potentielle anvendelser af BPLC-lasere i andre lavtemperaturmiljøer såsom polar, dybhav og rum. Derfor er designet af egnede BPLC-systemer til at opfylde god systemkompatibilitet og lavtemperatur-frostvæske vigtigt for udviklingen af ​​lavtemperatur-BPLC-lasere.
For at løse ovenstående problemer har teamet af akademiker Jiang Lei og forsker Wang Jingxia fra Center for Bionanomaterials and Interface Science ved Institut for Fysik og Kemi, Chinese Academy of Sciences, forberedt polymer-stabiliserede blå-fase flydende krystaller med en bredt område af temperaturer (-190 grad ~360 grader) i deres tidligere arbejde (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); ved at justere båndgabcentrene og farvemønstrene for de flydende krystaller med blå fase, har vi været i stand til at opnå de samme resultater. Ved at justere det forberedte blå-fase flydende krystal båndgab-center, farvestofbestillingsparameter, resonanshulrumskvalitet og pumpeenergi, er der opnået kontrolleret en-til-fire-mode overfladeemissionslasing i resonanshulrummene af farvestof-dopede blå-fase flydende krystaller (C6-BPLC'er) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); de præparerede blå-fase flydende krystaller bruges som skabeloner til fremstilling af højt opløste flerfarve blå-fase flydende krystaller. Under anvendelse af de fremstillede blå flydende krystaller som skabeloner blev højopløsnings flerfarvede flydende krystaller fremstillet (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); og ved at regulere polymerindholdet i de blå flydende krystaller, blev polymerstilladssystemet for de blå flydende krystaller opnået, og temperaturområdet for BPLC'erne blev udvidet til 25~230 grader (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
For nylig har forskerholdet med succes realiseret et bredt lasertemperaturområde ({{0}} grad ) under 0 grad ved rationelt systemvalg og design, hvilket reducerer den tilfældige krystallisation af små flydende krystalmolekyler ved lav temperaturer ved al-polymerisation og udvælgelse af kædefleksible flydende krystalmonomerer (RM105) og farvestofmolekyler (DCM'er) for at forbedre systemets kompatibilitet. Det blev vist, at alle-polymer BPLC'erne udviste en smal laserlinjebredde (0,0881 nm) og lav lasertærskel (37 nJ/puls) på grund af god systemkompatibilitet; i mellemtiden øgede det helt polymeriserede system prøvernes fototermiske stabilitet, inklusive tilstrækkelige reflektans-/fluorescenssignaler, passende kvanteudbytter og fluorescenslevetider, matchede reflektans- og fluorescensspektre, stabil BPLC-fremstilling og høj nedbrydningstemperatur, hvilket gjorde det muligt for prøverne at udsender laserlys i -180-240 grader . Derudover er variationsreglerne for laserbølgelængden og tærsklen for 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.
Resultaterne præsenteres som superbrede temperaturlasere, der spænder fra -180 grader til 240 grader baseret på fuldt polymeriserede blåfasesuperstrukturer, offentliggjort i Advanced Materials.
Den tilsvarende forfatter til artiklen er Dr. Jingxia Wang fra Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences. Yujie Chen, en ph.d.-studerende ved IUPAC, CAS, var den første forfatter. Mr. Jing Li og Mr. Feng Jin fra IUPAC hjalp med laserkarakteriseringen af ​​de blåfasede flydende krystaller, Prof. Lei Shi fra Institut for Fysik, Fudan University hjalp med karakteriseringen af ​​det fotoniske båndgab af de blåfasede flydende krystaller, og akademiker Lei Jiang fra Institut for Fysik og Kemi, Chinese Academy of Sciences, ydede professionel vejledning og assistance til denne undersøgelse.
Denne forskning blev støttet af National Natural Science Foundation i Kina og det nederlandske forskningsprogram under det kinesiske videnskabsakademi.

Figur 1. Kemisk struktur og karakterisering af fuldt polymeriserede BPLC'er. a) Kemiske strukturformler for de stoffer, der anvendes i de fuldt polymeriserede prøver af doterede farvestoffer; b) Skematisk diagram af de mikrostrukturelle ændringer af prøverne i -180 - 240 graders lasertemperaturdomæne; c) TEM-plot; d) Kossel-grunde; Variabel temperatur e) Reflektansspektre og f) Fluorescensspektre for prøverne på -180 - 240 grader; g) laserbølgelængde versus temperatur; h) sammenligning af det foreliggende arbejde med driftstemperaturområdet for blåfase flydende krystallasere i litteraturen.

Figur 2. Sammenligning af ydeevnen af ​​dette helt polymersystem med andre systemer og farvestofkompatibilitetstest. a) Sammenligning af lasertemperaturområdet; b) Sammenligning af lasertærsklen ved stuetemperatur; c) Farveopløselighedstest 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 af kohæsiv energitæthed (CED), eksperimentelt system: RM105 + RM257 + DCM; styresystem: C6M + C6. Det eksperimentelle system har en større CED og opløselighedsparameter (δ) end kontrolsystemet, hvilket tyder på, at det helt polymere system har bedre kompatibilitet end C6M + C6. g) D) Teoretiske beregninger af DCM, RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 ved 120 grader . (g) DSC-plot, der er kun én glasovergangstemperatur (Tg=26.7 grader ) for prøven udelukkende af polymer, mens der ikke kun er en Tg (-42.94 grader ), men også en krystallisationstop (Tc=-24.95 grader) og en faseovergangstop for den upolymeriserede komponent (TBP=77.35 grader) for prøven med en polymerisationsgrad på 25 vægt%. (TBP= 77.35 grader).
Figur 3. Laseregenskaber for prøverne af alle polymerer. ab) Emissionsspektre, -180-240 grad ; cd) FWHM af laseren ved stuetemperatur; e) Lasertærskel ved stuetemperatur; f) Tærskel versus temperatur i en "U"-form.

Figur 4. Fototermisk egenskabsanalyse af alle polymerprøver. a) Termogravimetrisk analyse; bd) In situ variabel temperatur XRD; e) Relative positioner af reflektionstoppe og fluorescenstoppe ved forskellige temperaturer; f) Refleksionscenterbølgelængde/refleksionsintensitet versus temperatur; Variable temperaturer g) Kvanteudbytter og h) Fluorescenslevetider; i) POM-plot med variabel temperatur in situ; j) In situ variabel temperatur vinkelopløste spektre (reflektionstilstand).

Figur 5. In-situ Kossel-variation under temperaturændring af alle-polymerprøver. a) Kossel-grunde; b) Kossel plots / BP gitter versus temperatur; c) Kossel centrum cirkulær radius (R) og reflektionscenter bølgelængde (λ) versus temperatur (T).

Figur 6. Mikrostrukturændringer og andre laseregenskaber af alle-polymerprøver under temperaturændring. a) Ændringer af BP gitter ved forskellige temperaturer. a1) BPI-gitter trækker sig sammen (110); a2) næsten uændret BPI-gitter; a3) accelereret ekspansion af BPI-krystaller langs (110); b) laseremission i tre ortogonale retninger af x, y og z, pumpeenergi: 0.205 μJ/puls; c) polarisationstest af laseren, L/RCP: venstre/højre cirkulært polariseret lys, pumpeenergi: 0,205 μJ/puls. pumpeenergi: 0,205 μJ/puls.