RIKEN faz novo progresso na faixa de temperatura ultra ampla (-180~240 graus) Laser de cristal líquido de fase azul

Os lasers de cristais líquidos de fase azul (BPLCs), com baixo limiar de laser, resposta multiestímulo, emissão multidirecional e reconfigurabilidade em tempo real, têm grandes perspectivas de aplicação em detecção, exibição e antifalsificação. Atualmente, a pesquisa sobre lasers de cristal líquido de fase azul inclui a sintonização do comprimento de onda do laser sob estímulos externos (por exemplo, luz, eletricidade, calor, força, etc.), e a estreita janela de temperatura dos próprios BPLCs levou a um interesse crescente no estudo de lasers BPLCs de domínio de ampla temperatura. A adoção de sistemas de estabilização de polímeros ampliou com sucesso a faixa de temperatura dos BPLCs para 500 graus, o que também leva à ampliação correspondente da faixa de temperatura dos lasers de BPLCs. No entanto, em comparação com outros lasers orgânicos, a cristalização aleatória de pequenas moléculas da fase móvel em BPLCs a baixas temperaturas e a fraca compatibilidade entre o corante e o sistema tornam um desafio a emissão de lasers abaixo de 0 graus em BPLCs. Além disso, o mecanismo de funcionamento dos lasers BPLCs em baixas temperaturas ainda não está claro. Isso limita severamente as aplicações potenciais dos lasers BPLCs em outros ambientes de baixa temperatura, como polares, oceanos profundos e espaço. Portanto, o projeto de sistemas BPLCs adequados para atender à boa compatibilidade do sistema e ao anticongelante de baixa temperatura é importante para o desenvolvimento de lasers BPLCs de baixa temperatura.
Para resolver os problemas acima, a equipe do acadêmico Jiang Lei e do pesquisador Wang Jingxia do Centro de Bionanomateriais e Ciência de Interface do Instituto de Física e Química da Academia Chinesa de Ciências preparou cristais líquidos de fase azul estabilizados com polímero com um ampla gama de temperaturas (-190 graus ~360 graus) em seus trabalhos anteriores (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); ajustando os centros do intervalo de bandas e os padrões de corante dos cristais líquidos da fase azul, conseguimos obter os mesmos resultados. Ao ajustar o centro de bandgap de cristal líquido de fase azul preparado, o parâmetro de ordenação de corante, a qualidade da cavidade de ressonância e a energia da bomba, o laser de emissão de superfície controlado de um a quatro modos foi alcançado nas cavidades de ressonância de cristais líquidos de fase azul dopados com corante (C6-BPLCs) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); os cristais líquidos de fase azul preparados são usados ​​como modelos para a preparação de cristais líquidos multicoloridos de fase azul altamente resolvidos. Utilizando os cristais líquidos azuis preparados como modelos, foram preparados cristais líquidos azuis multicoloridos de alta resolução (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); e regulando o conteúdo de polímero dos cristais líquidos azuis, o sistema de estrutura polimérica dos cristais líquidos azuis foi obtido, e a faixa de temperatura dos BPLCs foi estendida para 25~230 graus (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Matéria. 2022, 34 (47), 2206580.
Recentemente, a equipe de pesquisa realizou com sucesso uma ampla faixa de temperatura do laser ({{0}} graus) abaixo de 0 graus por seleção e design de sistema racional, reduzindo a cristalização aleatória de pequenas moléculas de cristal líquido em baixas temperaturas. temperaturas por polimerização total e seleção de monômeros de cristal líquido de cadeia flexível (RM105) e moléculas de corante (DCMs) para melhorar a compatibilidade do sistema. Foi demonstrado que os BPLCs totalmente poliméricos exibiam uma largura de linha de laser estreita (0,0881 nm) e baixo limiar de laser (37 nJ/pulso) devido à boa compatibilidade do sistema; enquanto isso, o sistema totalmente polimerizado aumentou a estabilidade fototérmica das amostras, incluindo sinais de refletância/fluorescência suficientes, rendimentos quânticos e tempos de vida de fluorescência adequados, espectros de refletância e fluorescência correspondentes, fabricação estável de BPLCs e alta temperatura de decomposição, o que permitiu que as amostras emite luz laser em -180-240 grau. Além disso, as regras de variação do comprimento de onda do laser e do limiar dos BPLCs em 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.
Os resultados são apresentados como lasers de temperatura superampla, abrangendo de -180 graus a 240 graus, com base em superestruturas de fase azul totalmente polimerizadas, publicadas em Advanced Materials.
O autor correspondente do artigo é o Dr. Jingxia Wang, do Instituto de Física e Química da Academia Chinesa de Ciências. Yujie Chen, estudante de doutorado na IUPAC, CAS, foi o primeiro autor. Jing Li e Feng Jin da IUPAC ajudaram na caracterização a laser dos cristais líquidos da fase azul, o Prof. Lei Shi do Departamento de Física da Universidade Fudan ajudou na caracterização do bandgap fotônico dos cristais líquidos da fase azul, e o acadêmico Lei Jiang, do Instituto de Física e Química da Academia Chinesa de Ciências, forneceram orientação profissional e assistência para este estudo.
Esta pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China e pelo Programa de Pesquisa Holandês da Academia Chinesa de Ciências.

Figura 1. Estrutura química e caracterização de BPLCs totalmente polimerizados. a) Fórmulas químicas estruturais das substâncias utilizadas nas amostras totalmente polimerizadas de corantes dopados; b) Diagrama esquemático das alterações microestruturais das amostras no domínio de temperatura do laser de -180 - 240 graus; c) parcelas TEM; d) parcelas de Kossel; Temperatura variável e) Espectros de refletância e f) Espectros de fluorescência das amostras de grau -180 - 240; g) comprimento de onda do laser versus temperatura; h) comparação do presente trabalho com a faixa de temperatura de operação dos lasers de cristal líquido de fase azul da literatura.

Figura 2. Comparação do desempenho deste sistema totalmente polimérico com outros sistemas e teste de compatibilidade de corantes. a) Comparação da faixa de temperatura do laser; b) Comparação do limiar do laser à temperatura ambiente; c) Teste de solubilidade do corante sob POM c1) 90,0 mg RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6, a 120 graus. Isso indica que o DCM tem melhor compatibilidade com o RM105. df) Cálculos teóricos de densidade de energia coesiva (CED), sistema experimental: RM105 + RM257 + DCM; sistema de controle: C6M + C6. O sistema experimental possui um CED e parâmetro de solubilidade (δ) maiores que o sistema de controle, o que sugere que o sistema totalmente polimérico tem melhor compatibilidade que C6M + C6. g) D) Cálculos teóricos de DCM, RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4 0,5 mg C6 a 120 graus. (g) Gráfico DSC, há apenas uma temperatura de transição vítrea (Tg=26,7 graus) para a amostra totalmente polimérica, enquanto não há apenas uma Tg (-42,94 graus), mas também um pico de cristalização (Tc=-24,95 graus) e um pico de transição de fase do componente não polimerizado (TBP=77,35 graus) para a amostra com um grau de polimerização de 25% em peso. (TBP= 770,35 grau).
Figura 3. Propriedades do laser das amostras totalmente poliméricas. ab) Espectros de emissão, -180-240 grau; cd) FWHM do laser à temperatura ambiente; e) Limiar do laser à temperatura ambiente; f) Limiar versus temperatura em forma de “U”.

Figura 4. Análise de propriedades fototérmicas de amostras totalmente poliméricas. a) Análise termogravimétrica; bd) DRX de temperatura variável in situ; e) Posições relativas dos picos de reflexão e picos de fluorescência em diferentes temperaturas; f) Comprimento de onda do centro de reflexão/intensidade de reflexão versus temperatura; Temperaturas variáveis ​​g) Rendimentos quânticos e h) Tempos de vida de fluorescência; i) Gráficos POM de temperatura variável in situ; j) Espectros in situ de temperatura variável resolvidos angularmente (modo de reflexão).

Figura 5. Variação in-situ de Kossel durante a mudança de temperatura de amostras totalmente poliméricas. a) parcelas de Kossel; b) Gráficos de Kossel/rede BP versus temperatura; c) Raio circular do centro de Kossel (R) e comprimento de onda do centro de reflexão (λ) versus temperatura (T).

Figura 6. Mudanças microestruturais e outras propriedades do laser de amostras totalmente poliméricas durante a mudança de temperatura. a) Mudanças na rede BP em diferentes temperaturas. a1) Rede BPI contraída ao longo (110); a2) estrutura do BPI praticamente inalterada; a3) expansão acelerada dos cristais de BPI ao longo (110); b) emissão de laser em três direções ortogonais de x, y e z, energia da bomba: 0,205 μJ/pulso; c) teste de polarização do laser, L/RCP: luz circularmente polarizada esquerda/direita, energia da bomba: 0,205 μJ/pulso. energia da bomba: 0,205 μJ/pulso.