实验阐明了胆甾液晶中布里格反射的向列相宿主驱动调制机制

《Optical Materials》：Experimental Elucidation of Nematic Host-Driven Modulation of Bragg Reflection in Cholesteric Liquid Crystals

本研究通过将2.45 wt%的R5011掺杂到五种不同NLC基质中，系统探究了基质双折射率、折射率及分子相容性对手性液晶布拉格反射波长、带宽及螺距扭曲能力的影响，发现化学相似的基质（如ML-0648）能产生更高的螺距扭曲（123.88 μm?1），且掺杂浓度增加导致中心波长蓝移和带宽变化。

　　这项研究深入探讨了宿主向列型液晶（NLC）环境在调控胆固醇型液晶（Ch-LC）中选择性布拉格反射行为中的关键作用。胆固醇型液晶是一类具有自组织螺旋超结构的特殊液晶，能够选择性地反射特定波长范围内的圆偏振光。研究通过将2.45 wt%的右旋胆甾醇掺杂物R5011加入五种不同的NLC宿主（ML-0648、E7、RDP84685、MLC-2053和MLC-2048）中，系统地分析了宿主材料的特性如何影响布拉格反射的关键光学参数，如中心反射波长、反射带宽以及螺旋扭曲力（HTP）。

实验结果显示，布拉格反射波长在不同宿主材料中呈现可调性，从499 nm（ML-0648）到754 nm（MLC-2048）。这一波长范围的变化主要受到胆固醇型液晶的螺旋周期和宿主材料折射率的调控。反射带宽则在23–86 nm之间变化，观察到在具有较高双折射率的宿主材料中，反射带宽更宽。值得注意的是，ML-0648因其化学结构与掺杂物高度相似，实现了123.88 μm?1的最高HTP值，突显了宿主与掺杂物之间分子亲和力的重要性。

此外，研究还发现，当将E7宿主材料以不同浓度（2.30–3.42 wt%）掺杂R5011时，中心布拉格反射波长出现明显的蓝移现象，同时反射带宽与掺杂物浓度呈反向关系。这些结果表明，通过合理选择宿主材料，可以有效地调控胆固醇型液晶的光学性能，为开发先进的光学器件提供了有价值的参考。例如，可调滤光器、反射显示和手性光子结构等应用，均可以受益于这种对布拉格反射行为的精确控制。

布拉格反射是胆固醇型液晶中最为显著且具有技术意义的光学现象之一。这一现象源于向列型分子的螺旋排列所引起的折射率周期性变化，使得特定波长范围内的圆偏振光能够被选择性地反射。中心反射波长和反射光的强度主要由普通折射率和非常折射率的平均值决定，而这些值又强烈依赖于分子排列和胆固醇相的固有光学各向异性。在正常入射条件下，胆固醇型液晶反射与螺旋方向相同的手性圆偏振光，其波长位于普通折射率和非常折射率之间的特定范围内。当光的波长是螺旋周期的整数倍时，布拉格反射条件得以满足。

为了更直观地展示这种光学行为，研究通过图1（左）对圆偏振光与胆固醇结构的相互作用进行了示意图说明，描述了选择性反射和透射的机制。图1（右）则展示了两种具有相反螺旋手性的胆固醇型液晶细胞的测量透射光谱。在该图中，向上的蓝色三角形表示右旋胆固醇结构对右旋圆偏振光的透射，而向下的绿色三角形则对应于左旋螺旋结构对右旋圆偏振光的透射。黑色正方形和红色圆形分别代表线偏振光和非偏振光的透射光谱，适用于右旋和左旋的胆固醇结构。

胆固醇型液晶可以通过将向列型液晶宿主与少量手性化合物掺杂而获得。这种自组织的螺旋结构在反射显示、柔性显示、光学快门、电控器件、红外反射器以及各种光子系统中得到了广泛研究。在这些手性-向列混合物中，手性掺杂物的螺旋扭曲力（HTP）是衡量其在向列宿主中诱导螺旋结构能力的重要参数。HTP定义为螺旋周期和手性掺杂物浓度的乘积的倒数，而对于纯手性物质，则表示为：

在这一表达式中，表示手性化合物的浓度，表示胆固醇相的螺旋周期。手性掺杂物在向列宿主中诱导的螺旋结构的强度在很大程度上受到掺杂物自身分子结构的影响。此外，向列宿主中螺旋结构的形成不仅取决于掺杂物，还受到宿主材料的物理化学性质的显著影响。

实验研究表明，当手性掺杂物与向列宿主具有强化学相似性时，可以实现最高的HTP值，这表明宿主环境的结构在手性诱导中起着至关重要的作用。例如，当右旋手性化合物TADDOL R,R-12溶解在两种不同的向列液晶ZLI1695和MBBA中时，分别观察到341和534 μm?1的HTP值，进一步证明了宿主材料结构对手性诱导的重要性。

不同宿主-掺杂物组合中HTP的变化主要来源于分子间相互作用的差异，包括立体兼容性、偶极-偶极相互作用以及手性分子在向列基质中的构象适应性。这些相互作用对掺杂物在宿主晶格中的微观排列非常敏感，并且受到宿主极性、分子有序性和结构各向异性等特性的影响。因此，同一手性掺杂物在不同的向列宿主中可能会表现出显著不同的HTP值，这强调了宿主-掺杂物兼容性及局部分子环境在手性转移效率中的关键作用。

在本研究中，右旋手性掺杂物R5011以固定浓度2.45 wt%加入若干向列液晶宿主中，包括具有已知和未公开化学结构的材料。所制备的混合物被系统地分析，以研究其布拉格反射行为。具体而言，四种具有未公开化学结构的向列液晶宿主和一种已知组成的共晶混合物被用作宿主材料。通过分析中心布拉格反射波长，研究揭示了不同向列液晶宿主对胆固醇型液晶光学响应的影响。同时，所制备样品的平均折射率和双折射率也被评估。研究结果清楚地表明，向列液晶宿主的双折射率是决定反射带宽的关键参数。而胆固醇相的螺旋周期则主要由手性掺杂物的HTP决定，HTP量化了掺杂物在宿主基质中诱导手性的能力。此外，观察到手性掺杂物与向列液晶宿主之间的化学相似性越高，手性转移的效率也越高，从而导致更短的螺旋周期。增加手性掺杂物的浓度不仅使中心布拉格反射波长发生蓝移（即波长减小），还增强了向列液晶分子的取向向量在螺旋平面内的旋转。这种增强的取向倾斜，相对于垂直于螺旋层的轴，进一步减小了胆固醇型液晶的螺旋周期。

通过实验和理论分析，研究进一步探讨了不同宿主材料对布拉格反射行为的影响。图2a展示了五种胆固醇型液晶样品的透射光谱，每种样品均由相同浓度的R5011掺杂到不同的NLC宿主中，并在恒定温度30 °C下制备。根据表2中总结的数据和图2b中的可视化结果，五种样品的中心布拉格反射波长按升序排列为499 nm、604 nm、632 nm、737 nm和754 nm。从光谱中可以看出，不同宿主材料对布拉格反射波长和带宽的影响存在显著差异。这些差异进一步表明，宿主材料的物理化学特性在调控胆固醇型液晶的光学行为中具有决定性作用。

此外，研究还强调了宿主材料的结构各向异性在影响布拉格反射特性中的作用。向列液晶宿主的结构各向异性不仅影响其折射率和双折射率，还决定了其分子排列的稳定性。在本研究中，通过选择不同的宿主材料，研究人员能够观察到布拉格反射波长和带宽的显著变化，从而验证了宿主材料对胆固醇型液晶光学性能的调控能力。这种调控能力为开发具有特定光学功能的材料提供了理论基础和实验依据。

综上所述，这项研究揭示了宿主材料的特性在调控胆固醇型液晶的布拉格反射行为中的关键作用。通过系统分析不同宿主材料对中心布拉格反射波长、反射带宽和螺旋扭曲力的影响，研究人员能够更深入地理解胆固醇型液晶的光学行为及其调控机制。这些发现不仅为理论研究提供了新的视角，也为实际应用中的材料设计和性能优化提供了重要的指导。例如，在开发可调滤光器、反射显示、光子结构等先进光学器件时，合理选择宿主材料可以显著提升其光学性能和应用潜力。此外，研究还表明，通过优化手性掺杂物与宿主材料之间的分子亲和性和局部环境，可以进一步提高手性转移的效率，从而实现更精确的光学调控。这些成果为未来的光学材料研究和应用拓展提供了坚实的基础。