RIKEN teeb uusi edusamme ülilaia temperatuurivahemiku (-180~240 kraadi) sinise faasi vedelkristalllaseri vallas

Sinise faasi vedelkristalllaserid (BPLC) oma madala laserlävi, mitme stiimuli reaktsiooni, mitmesuunalise emissiooni ja reaalajas ümberkonfigureeritavusega pakuvad suurepäraseid kasutusvõimalusi tuvastamisel, kuvamisel ja võltsimise vastu võitlemisel. Praegu hõlmavad sinise faasi vedelkristalllaserite uuringud laseri lainepikkuse häälestatavust väliste stiimulite (nt valgus, elekter, soojus, jõud jne) mõjul ning BPLC-de endi kitsas temperatuuriaken on toonud kaasa kasvava huvi laia temperatuuripiirkonna BPLC laserite uurimisel. Polümeeride stabiliseerimissüsteemide kasutuselevõtt on edukalt laiendanud BPLC-de temperatuurivahemikku 500 kraadini, mis toob kaasa ka BPLC-laserite temperatuurivahemiku vastava laienemise. Kuid võrreldes teiste orgaaniliste laseritega muudab BPLC-des liikuva faasi väikeste molekulide juhuslik kristalliseerumine madalatel temperatuuridel ning värvaine ja süsteemi halb ühilduvus BPLC-des alla 0-kraadiste laserite väljastamise keeruliseks. Veelgi enam, BPLC-laserite töömehhanism madalatel temperatuuridel on endiselt ebaselge. See piirab tõsiselt BPLC-laserite võimalikke rakendusi muudes madala temperatuuriga keskkondades, nagu polaar-, süvaookean ja kosmos. Seetõttu on madalatemperatuuriliste BPLC-laserite väljatöötamiseks oluline sobivate BPLC-süsteemide projekteerimine, et need vastaksid heale süsteemi ühilduvusele ja madala temperatuuriga antifriisile.
Ülaltoodud probleemide lahendamiseks valmistasid akadeemik Jiang Lei ja teadur Wang Jingxia Hiina Teaduste Akadeemia Füüsika ja Keemia Instituudi bionanomaterjalide ja liideste teaduse keskusest polümeeriga stabiliseeritud sinise faasi vedelkristallid. lai temperatuurivahemik (-190 kraad ~360 kraadi) nende varasemates töödes (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); muutes sinise faasi vedelkristallide ribade keskpunkte ja värvimustreid, oleme suutnud saavutada samad tulemused. Reguleerides ettevalmistatud sinise faasi vedelkristallide ribalaiuse keskpunkti, värvi järjestusparameetrit, resonantsõõnsuse kvaliteeti ja pumba energiat, on värviga legeeritud sinise faasi vedelkristallide resonantsõõnsustes saavutatud kontrollitud ühe- kuni neljarežiimiline pinnaemissiooni laser. (C6-BPLC-d) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); valmistatud sinise faasi vedelkristalle kasutatakse suure lahutusvõimega mitmevärviliste sinise faasi vedelkristallide valmistamise mallidena. Kasutades valmistatud siniseid vedelkristalle mallidena, valmistati kõrge eraldusvõimega mitmevärvilised sinised vedelkristallid (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985); ja reguleerides siniste vedelkristallide polümeerisisaldust, saadi siniste vedelkristallide polümeeri karkassisüsteem ja BPLC-de temperatuurivahemikku pikendati 25–230 kraadini (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Hiljuti on uurimisrühm ratsionaalse süsteemivaliku ja disainiga edukalt realiseerinud laseri laia temperatuurivahemiku ({{0}} kraadi) alla 0 kraadi, vähendades väikeste vedelkristalli molekulide juhuslikku kristalliseerumist madalatel temperatuuridel. temperatuure täispolümerisatsiooniga ja ahelaga painduvate vedelkristallmonomeeride (RM105) ja värvimolekulide (DCM) valimise abil, et parandada süsteemi ühilduvust. Näidati, et täispolümeersetel BPLC-del oli laseri kitsas joonelaius (0,0881 nm) ja madal laserlävi (37 nJ impulsi kohta) tänu heale süsteemiga ühilduvusele; Samal ajal suurendas täielikult polümeriseeritud süsteem proovide fototermilist stabiilsust, sealhulgas piisavaid peegeldus-/fluorestsentssignaale, sobivaid kvantsaagiseid ja fluorestsentsi eluiga, sobitatud peegeldus- ja fluorestsentsspektreid, stabiilset BPLC-de valmistamist ja kõrget lagunemistemperatuuri, mis võimaldas proovidel kiirgavad laservalgust -180-240 kraadi ulatuses. Lisaks on laseri lainepikkuse ja BPLC läve variatsioonireeglid madalal temperatuuril (<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.
Tulemused on esitatud ülilaia temperatuuri laseritena, mis ulatuvad -180 kraadist kuni 240 kraadini, mis põhinevad täielikult polümeriseeritud sinise faasi pealisstruktuuridel, avaldatud Advanced Materials.
Artikli vastav autor on dr Jingxia Wang Hiina Teaduste Akadeemia Füüsika ja Keemia Instituudist. Yujie Chen, IUPACi (CAS) doktorant, oli esimene autor. Hr Jing Li ja hr Feng Jin IUPACist aitasid laseriga iseloomustada sinise faasi vedelkristalle, prof Lei Shi Fudani ülikooli füüsikaosakonnast aitas iseloomustada sinise faasi vedelkristallide fotoonilise ribalaiust. ja akadeemik Lei Jiang Hiina Teaduste Akadeemia Füüsika ja Keemia Instituudist andsid selle uuringu jaoks professionaalseid juhiseid ja abi.
Seda uurimistööd toetasid Hiina Riiklik Loodusteaduste Fond ja Hiina Teaduste Akadeemia Hollandi uurimisprogramm.

Joonis 1. Täielikult polümeriseeritud BPLC-de keemiline struktuur ja iseloomustus. a) legeeritud värvainete täielikult polümeriseeritud proovides kasutatud ainete keemilised struktuurivalemid; b) Proovide mikrostruktuurimuutuste skemaatiline diagramm laseri temperatuuripiirkonnas -180 - 240 kraadi; c) TEM-diagrammid; d) Kosseli krundid; Muutuva temperatuuriga e) Peegeldusspektrid ja f) -180 - 240 kraadiga proovide fluorestsentsspektrid; g) laseri lainepikkus versus temperatuur; h) käesoleva töö võrdlus kirjanduses toodud sinise faasi vedelkristalllaserite töötemperatuuri vahemikuga.

Joonis 2. Selle täispolümeersüsteemi toimivuse võrdlus teiste süsteemidega ja värvide ühilduvuse test. a) Laseri temperatuurivahemiku võrdlus; b) Laseri läve võrdlus toatemperatuuril; c) Värvaine lahustuvuse test POM-i alusel c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6, 120 kraadi juures. See näitab, et DCM ühildub paremini RM105-ga. df) Kohesiivse energia tiheduse (CED) teoreetilised arvutused, katsesüsteem: RM105 + RM257 + DCM; juhtimissüsteem: C6M + C6. Katsesüsteemil on suurem CED ja lahustuvuse parameeter (δ) kui kontrollsüsteemil, mis viitab sellele, et täispolümeersüsteemil on parem ühilduvus kui C6M + C6. g) D) DCM teoreetilised arvutused, RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 120 kraadi juures. (g) DSC graafik, täispolümeerse proovi jaoks on ainult üks klaasistumistemperatuur (Tg=26,7 kraadi), samas kui Tg (-42,94 kraadi) pole olemas ainult samuti 25 massiprotsendilise polümerisatsiooniastmega proovi kristallisatsioonipiik (Tc=-24,95 kraadi ) ja polümeriseerimata komponendi faasisiirdepiik (TBP=77,35 kraadi ). (TBP= 77.35 kraadi).
Joonis 3. Täispolümeersete proovide laseri omadused. ab) Emissioonispektrid, -180-240 kraad ; cd) laseri FWHM toatemperatuuril; e) Laserlävi toatemperatuuril; f) Lävi versus temperatuur U-kujulises vormis.

Joonis 4. Täispolümeersete proovide fototermiliste omaduste analüüs. a) termogravimeetriline analüüs; bd) In situ muutuva temperatuuriga XRD; e) peegelduspiikide ja fluorestsentsi piikide suhtelised asukohad erinevatel temperatuuridel; f) peegelduskeskme lainepikkus/peegelduse intensiivsus versus temperatuur; Muutlikud temperatuurid g) kvantsaagised ja h) fluorestsentsi eluiga; i) in situ muutuva temperatuuriga POM graafikud; j) In situ muutuva temperatuuriga nurklahutusspektrid (peegeldusrežiim).

Joonis 5. In situ Kossel varieerumine täispolümeersete proovide temperatuurimuutuste ajal. a) Kosseli krundid; b) Kosseli graafikud / BP võre versus temperatuur; c) Kosseli keskpunkti ringraadius (R) ja peegelduskeskme lainepikkus (λ) versus temperatuur (T).

Joonis 6. Täispolümeersete proovide mikrostruktuurilised muutused ja muud laseri omadused temperatuurimuutuse ajal. a) BP võre muutused erinevatel temperatuuridel. a1) BPI võre kokkutõmbunud piki (110); a2) peaaegu muutumatu BPI võre; a3) BPI kristallide kiirendatud paisumine piki (110); b) laserkiirgus kolmes ortogonaalses suunas x, y ja z, pumba energia: 0,205 μJ impulsi kohta; c) laseri polarisatsiooni test, L/RCP: vasak/parem ringpolariseeritud valgus, pumba energia: 0,205 μJ/impulss. pumba energia: 0,205 μJ/impulss.