RIKEN fa nous progrés en l'interval de temperatures ultraampli (-180~240 graus) làser de cristall líquid de fase blava

Els làsers de cristalls líquids de fase blava (BPLC), amb el seu llindar làser baix, resposta multi-estímul, emissió multidireccional i reconfigurabilitat en temps real, tenen grans perspectives d'aplicació en detecció, visualització i anti-falsificació. Actualment, la investigació sobre làsers de cristall líquid en fase blava inclou la sintonització de la longitud d'ona del làser sota estímuls externs (per exemple, llum, electricitat, calor, força, etc.), i l'estreta finestra de temperatura dels mateixos BPLC ha donat lloc a un interès creixent. en l'estudi de làsers BPLC de domini ampli de temperatura. L'adopció de sistemes d'estabilització de polímers ha ampliat amb èxit el rang de temperatures dels làsers BPLC a 500 graus, la qual cosa també condueix a l'ampliació corresponent del rang de temperatures dels làsers BPLC. Tanmateix, en comparació amb altres làsers orgànics, la cristal·lització aleatòria de petites molècules de la fase mòbil en BPLC a baixes temperatures i la mala compatibilitat entre el colorant i el sistema fan que sigui difícil emetre làsers per sota de 0 graus en BPLC. A més, encara no està clar el mecanisme de funcionament dels làsers BPLC a baixes temperatures. Això limita severament les aplicacions potencials dels làsers BPLC en altres entorns de baixa temperatura com ara el polar, l'oceà profund i l'espai. Per tant, el disseny de sistemes BPLC adequats per complir una bona compatibilitat del sistema i anticongelants de baixa temperatura és important per al desenvolupament de làsers BPLCs de baixa temperatura.
Per resoldre els problemes anteriors, l'equip de l'acadèmic Jiang Lei i l'investigador Wang Jingxia del Centre de Bionanomaterials i Ciències de la Interfície de l'Institut de Física i Química de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, van preparar cristalls líquids de fase blava estabilitzats amb polímers amb un ampli rang de temperatures (-190 grau ~360 graus) en el seu treball anterior (Comun. Nat. 2021, 12 (1), 3477.); ajustant els centres de la bretxa de banda i els patrons de tint dels cristalls líquids de fase blava, hem pogut aconseguir els mateixos resultats. Mitjançant l'ajust del centre de banda de cristall líquid de fase blava preparat, el paràmetre d'ordenació del colorant, la qualitat de la cavitat de ressonància i l'energia de la bomba, s'ha aconseguit un control de làser d'emissió de superfície d'un a quatre modes a les cavitats de ressonància dels cristalls líquids de fase blava dopats amb colorant. (C6-BPLCs) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); els cristalls líquids de fase blava preparats s'utilitzen com a plantilles per a la preparació de cristalls líquids de fase blava multicolors d'alta resolució. Utilitzant els cristalls líquids blaus preparats com a plantilles, es van preparar cristalls líquids blaus multicolors d'alta resolució (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); i regulant el contingut de polímer dels cristalls líquids blaus, es va obtenir el sistema de bastides de polímer dels cristalls líquids blaus i el rang de temperatura dels BPLC es va ampliar a 25 ~ 230 graus (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Recentment, l'equip d'investigació ha assolit amb èxit un ampli rang de temperatura làser ({{0}} grau) per sota de 0 grau mitjançant la selecció i el disseny racionals del sistema, reduint la cristal·lització aleatòria de petites molècules de cristall líquid a baixes temperatures. temperatures per polimerització total i selecció de monòmers de cristall líquid flexibles en cadena (RM105) i molècules de colorant (DCM) per millorar la compatibilitat del sistema. Es va demostrar que els BPLC de polímers presentaven una amplada de línia làser estreta (0, 0881 nm) i un llindar làser baix (37 nJ / pols) a causa de la bona compatibilitat del sistema; Mentrestant, el sistema totalment polimeritzat va augmentar l'estabilitat fototèrmica de les mostres, incloent senyals de reflectància/fluorescència suficients, rendiments quàntics adequats i vides de fluorescència, espectres de reflectància i fluorescència coincidents, fabricació de BPLCs estables i alta temperatura de descomposició, cosa que va permetre que les mostres emet llum làser en -180-240 graus . A més, les regles de variació de la longitud d'ona del làser i el llindar dels BPLC a baixa temperatura (<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.
Els resultats es presenten com a làsers de temperatura súper amples que abasten des de -180 graus fins a 240 graus basats en Superestructures de fase blava totalment polimeritzades, publicades a Advanced Materials.
L'autor corresponent de l'article és el Dr. Jingxia Wang de l'Institut de Física i Química de l'Acadèmia Xinesa de Ciències. Yujie Chen, estudiant de doctorat a la IUPAC, CAS, va ser el primer autor. El Sr. Jing Li i el Sr. Feng Jin de la IUPAC van ajudar a la caracterització làser dels cristalls líquids de fase blava, el Prof. Lei Shi del Departament de Física de la Universitat de Fudan va ajudar a caracteritzar la banda intercalada fotònica dels cristalls líquids de fase blava, i l'acadèmic Lei Jiang de l'Institut de Física i Química de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, van proporcionar orientació i assistència professionals per a aquest estudi.
Aquesta investigació va comptar amb el suport de la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina i el Programa de Recerca dels Països Baixos de l'Acadèmia Xinesa de Ciències.

Figura 1. Estructura química i caracterització de BPLC totalment polimeritzats. a) Fórmules estructurals químiques de les substàncies utilitzades en les mostres totalment polimeritzades de colorants dopats; b) Diagrama esquemàtic dels canvis microestructurals de les mostres en el domini de temperatura làser de -180 - 240 graus; c) Parcel·les TEM; d) Parcel·les Kossel; Temperatura variable e) Espectres de reflectància i f) Espectres de fluorescència de les mostres de grau -180 - 240 ; g) longitud d'ona del làser en funció de la temperatura; h) comparació del present treball amb el rang de temperatura de funcionament dels làsers de cristall líquid de fase blava a la literatura.

Figura 2. Comparació del rendiment d'aquest sistema totalment polímer amb altres sistemes i prova de compatibilitat de colorants. a) Comparació del rang de temperatura del làser; b) Comparació del llindar del làser a temperatura ambient; c) Prova de solubilitat del colorant sota POM c1) 90.0 mg RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6, a 120 graus . Això indica que DCM té una millor compatibilitat amb RM105. df) Càlculs teòrics de la densitat d'energia cohesiva (CED), sistema experimental: RM105 + RM257 + DCM; sistema de control: C6M + C6. El sistema experimental té un CED i un paràmetre de solubilitat (δ) més gran que el sistema de control, cosa que suggereix que el sistema de polímer té una millor compatibilitat que C6M + C6. g) D) Càlculs teòrics de DCM, RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 a 120 graus . (g) Gràfic DSC, només hi ha una temperatura de transició vítrea (Tg=26,7 graus) per a la mostra de polímer, mentre que no només hi ha una Tg (-42,94 graus), sinó que també un pic de cristal·lització (Tc=-24,95 graus) i un pic de transició de fase del component no polimeritzat (TBP=77,35 graus) per a la mostra amb un grau de polimerització del 25% en pes. (TBP= 77,35 graus).
Figura 3. Propietats làser de les mostres de polímers. ab) Espectres d'emissió, -180-240 grau ; cd) FWHM del làser a temperatura ambient; e) Llindar làser a temperatura ambient; f) Llindar en funció de la temperatura en forma d'"U".

Figura 4. Anàlisi de propietats fototèrmiques de mostres de polímers. a) Anàlisi termogravimètrica; bd) XRD de temperatura variable in situ; e) Posicions relatives dels pics de reflexió i dels pics de fluorescència a diferents temperatures; f) Longitud d'ona del centre de reflexió/intensitat de reflexió en funció de la temperatura; Temperatures variables g) Rendiments quàntics i h) Vides de fluorescència; i) Parcel·les POM de temperatura variable in situ; j) Espectres de resolució angular de temperatura variable in situ (mode de reflexió).

Figura 5. Variació de Kossel in situ durant el canvi de temperatura de mostres de polímers. a) parcel·les de Kossel; b) Gràfics de Kossel / gelosia BP en funció de la temperatura; c) Radi circular del centre de Kossel (R) i longitud d'ona del centre de reflexió (λ) en funció de la temperatura (T).

Figura 6. Canvis microestructurals i altres propietats làser de mostres de polímers durant el canvi de temperatura. a) Canvis de la xarxa BP a diferents temperatures. a1) La gelosia BPI es va contreure al llarg (110); a2) gelosia BPI gairebé sense canvis; a3) expansió accelerada dels cristalls de BPI al llarg (110); b) emissió làser en tres direccions ortogonals de x, y i z, energia de bomba: 0,205 μJ/pols; c) prova de polarització del làser, L/RCP: llum polaritzada circularment esquerra/dreta, energia de bomba: 0,205 μJ/pols. energia de la bomba: 0,205 μJ/pols.