偶氮苯手性向列相液晶材料的光调控变色

Controlling the selective reflection of Chiral Nematic Liquid Crystal (N*-LC) by light have attracted extensive attention, owing to their potential applications in phototunable filters, LC lasers, flexible displays, and so forth. The helical structure of N*-LCs can be organized by doping chiral materials into a LC host. Photoresponsive chiral azobenzene dopants can undergo molecular shape change upon irradiation with UV light, which may consequently lead to change in the helical structure in N*-LCs and therefore tune the reflection of light. The structure of photoresponsive chiral molecules is the key factor to determine the property of phototunable light reflection. However, there still remain some problems, for example, the variety of photoresponsive chiral molecules and the wavelength of the stimulus light is limited, which is a disadvantage to further study and perfection of the light-driven N*-LCs systems. Here, in this project, we design new molecular structures and feasible synthetic routes. The modified azobenzene derivatives are linked to the chiral binaphthyl. The interrelation between the molecular structure and helical twisting behavior, the effect of photoisomerization on helical superstructure and dynamic reflection spectra change are investigated. In addition, in order to realize visible-light-driven N*-LCs systems with broad reflection bandwidth, we try to modify azobenzene by introducing special groups in the ortho/para-position or utilize upconvertion materials based on triplet-triplet annihilation.

用光来调控手性向列相液晶材料的选择性反射性质，在可调色滤光器、可调色液晶激光器、光驱动的柔性显示器等方面都有潜在应用，因而受到越来越多的关注。通过掺杂的光响应分子（如偶氮苯）在光照前后构型的变化，诱导手性向列相液晶螺旋扭曲行为的改变，即可达到使材料反射光波长变化的目的。该材料的光响应性能主要取决于光响应手性分子的结构。目前该方法所存在的问题是：光响应手性分子的结构还比较单一，光响应波长也有局限，不利于该类材料的深入研究和开发性能更优化的体系。本项目拟用合理的合成路线，利用偶氮苯现有的改性技术，选取一些偶氮苯其衍生物将其与手性联萘结构结合，研究手性偶氮苯分子的结构与手性向列相液晶螺旋扭曲行为、偶氮苯光异构化行为与手性向列相液晶螺旋结构、反射光谱动态变化的关系。在此基础上，通过合理的偶氮苯分子设计或借助上转换技术，构筑具有实时响应、反射光谱变化范围宽等特点的可见光响应手性向列相液晶体系。

光响应手性向列相液晶作为一种自组装软物质光子晶体材料，在光刺激下表现出选择性反射波长的变化，有望用作开发光控可调型光学元器件。受限于偶氮苯光开关的分子结构，目前掺杂偶氮苯类手性分子开关的光响应手性向列相液晶大多依赖紫外光作为一种激发波长，而且分子结构单一，这极大限制了手性向列相液晶材料的实际应用。本项目设计并合成了多种全新结构的偶氮苯类轴手性分子，提出了选择性反射波长调控的新策略。首先，我们另辟蹊径，仅在联萘偶氮苯的邻位引入强吸电子效应的氟原子，设计出结构简单的可见光响应手性分子开关，掌握了分子结构与螺旋结构调控间的构-效关系，实现了手性向列相液晶反射波长的可见光调控。其次，我们在同一个联萘轴手性中心上连接偶氮苯和氟取代偶氮苯两种不同的光响应基团，首次制备出三稳态手性分子开关，利用分段调控新策略极大的拓宽了反射波长的调控范围，创造出黑色背景实现“黑底彩图”。随后，我们通过调节手性中心和偶氮苯单元间的距离，探究了间隔基长度对螺旋扭曲力常数值的影响，丰富了联萘轴手性分子开关的结构。另外，我们摆脱手性分子开关的束缚，将手性分子开关拆分为手性掺杂剂和光开关两个简单、独立的部分，提出利用光化学相转变原理调控手性向列相液晶螺距及反射颜色的策略，建立RGB三原色与刺激光源一一对应的关系，展示了光控图案的连续变化。最后，我们通过引入铂卟啉染料拓展了含氟偶氮苯光开关的响应波长，获得了紫外光、蓝光、绿光及红光多波长响应的手性向列相液晶。本项目开发的光响应手性向列相液晶在光调色滤光片、激光器以及液晶多彩显示器件等领域有潜在应用。