温度响应型聚合物分散液晶微区双折射起源及其光学调控机制研究

《Optical Materials》：Birefringence and its origin in microdomains formed in temperature-dependent polymer-dispersed liquid crystals

本研究针对聚合物分散液晶(PDLCs)在温度刺激下光学非均匀性起源的关键问题，通过激光散斑诱导光聚合制备PDLCs样本，结合偏光显微镜(POM)与显微光谱技术，首次实现微区双折射的定量分析与组分分布可视化。研究发现聚合物网络对液晶(LCs)移动性的限制作用是温度依赖光调制性能的核心机制，为自主式智能窗(smart windows)的微观结构设计提供直接实验依据。

　　

随着全球变暖加剧，建筑能耗控制成为可持续发展的重要课题。智能窗(smart windows)作为能动态调节太阳辐射量的前沿技术，其核心在于开发具有自主温度响应能力的光学材料。传统电控智能窗需额外能源供应，而基于聚合物分散液晶(Polymer-Dispersed Liquid Crystals, PDLCs)的温度响应材料可实现无源调控，但微观尺度下光学非均匀性的形成机制始终是制约性能优化的瓶颈。

为揭示PDLCs微观结构与光学性能的关联，神户市立工业高等专门学校的Akifumi Ogiwara与Hiroshi Kakiuchida研究团队在《Optical Materials》发表研究，通过创新性的多模态表征技术解析了温度驱动下微区双折射的起源。该研究首次将偏光显微镜(Polarizing Optical Microscope, POM)与显微光谱联用，实现对单个微域光学各向异性的原位观测，并结合显微拉曼光谱定量分析组分分布，建立了从分子取向到宏观光调制行为的完整解释框架。

关键技术方法

研究采用激光散斑图案照射诱导光聚合制备PDLCs样本，核心表征手段包括：1) 偏光显微镜-显微光谱联用系统，同步获取微区双折射光谱数据；2) 柯西色散公式(Cauchy’s wavelength dispersion formula)定量分析双折射温度依赖性；3) 显微拉曼光谱测绘LCs/聚合物空间分布。所有实验在10μm厚度的摩擦聚酰亚胺涂层玻璃基板间进行，温控范围覆盖向列相-各向同性相转变温度(T_N–I=35.1°C)上下区间。

样品制备和器件 fabrication

通过光辐照液晶二丙烯酸酯单体(Merck RM257)与向列相液晶材料(Merck K-15)的混合物，在具有取向层的玻璃基板间形成PDLCs。激光散斑照射诱发的光聚合与相分离过程构建了液晶微滴嵌入聚合物网络的典型结构，其相变阈值温度与液晶材料特性直接相关。

PDLCs的透射光谱

光谱分析显示，当温度跨越T_N–I时，透射率在测量波长范围内单调下降。低于T_N–I时液晶分子沿取向层有序排列，体系呈现高透光性；高于T_N–I时液晶分子随机取向，与聚合物折射率失配导致光散射。这种可逆的透射变化是PDLCs用于智能窗的核心物理基础。

结论

研究通过多尺度表征证实：1) 微区双折射源于液晶分子取向波动与聚合物网络约束的耦合作用；2) 拉曼测绘显示即使聚合物富集区仍存在液晶组分，表明相分离不完全性对光调制性能具有关键影响；3) 柯西公式成功拟合双折射色散行为，为预测不同温度下的光学响应提供数学模型。该工作从微观尺度揭示了PDLCs温度响应机制，为下一代自主式光学器件设计提供了理论基础。

讨论与意义

本研究的意义在于突破了传统宏观光学测试的局限，首次将组分分布、分子取向与光学性能进行定量关联。发现聚合物网络对液晶分子的"锚定效应"即使在各向同性相仍保持部分取向记忆，这一现象解释了为何实际PDLCs的相变过程存在光学响应滞后。研究成果不仅推动智能窗材料向精准调控方向发展，其多模态表征方法更可为多相软物质系统的光学分析提供范式参考。