单畴二维纳米液晶微胶囊的构筑及其三基色显色机制

Two-dimensional (2D) nano liquid crystals (NLCs) possess abundant self-assembly phase state, controllable phase structure and potential optical application prospects. However, the polydomain structure resulted from the discontinuity of arrangement and orientation make the material composition and spatial orientation of every part inhomogenous. This structural defect derives the following scientific problems in the study of applying 2D nanoplatelets to construct liquid crystalline optical materials, how to achieve template fabrication to ensure the homogeneity of the material composition and the geometry size of every constituent unit, how to construct a stable single-domain 2D NLC to make each nanoplatelet exhibit consistent orientation, how to realize controlled fabrication and precise regulation of chromogenic performances of trichromatic 2D NLCs. In this project, 2D NLCs are selected as the core composition element, microfluidic principle is utilized as a template fabrication strategy, magnetic field induction is applied as the drive of single-domain 2D NLCs, the hydrogel network is used as the carrier to stabilize the orientation structure of 2D NLCs, and the interference effect in micro-scale is adopted as the control mechanism of chromogenic performance. This research aims to initiate 2D NLC microcapsules with high saturation, wide color gamut and high stability. The research achievements of this project are expected to provide theoretical mechanism and implementation method for the single-domain self-assembly and interfering color of 2D NLCs, further to exploit brand-new applications of 2D nanoplatelets in the field of optics and display.

二维纳米液晶具有丰富的自组装相态、可调控的相结构和潜在的光学应用前景。然而，由排列和取向的不连续引起的多畴结构使液晶各部分的物质组成和空间取向不均一。这一结构缺陷使得在利用二维纳米片构筑液晶光学材料的研究中衍生出以下科学问题：如何实现模板法制备以保证各组成单元物质组成和几何尺寸无差异；如何构筑稳定的单畴二维纳米液晶，使各组成单元内的纳米片呈一致的取向排列；如何实现三基色二维纳米液晶的可控制备和显色性能的精确调控。本项目提出以二维纳米液晶为核心组成基元，以微流控原理为模板法制造策略，以磁场诱导为形成单畴二维纳米液晶的驱动、以水凝胶网络为稳定液晶取向结构的载体，以微尺度干涉效应为显色性能的调控机理。旨在开发高饱和度、宽色域和高稳定性的单畴二维纳米液晶微胶囊。本项目的研究成果有望为二维纳米液晶的单畴自组装及其三基色显色提供理论解释和实施方法，并开拓二维纳米材料在光学和显示领域的崭新应用。

二维纳米液晶作为一类溶致液晶，以其丰富的来源、复杂的自组装相态以及可调控的微观相结构等特点而具有潜在的光学应用前景。然而，由排列和取向的不连续引起的多畴结构使液晶各部分的物质组成和空间取向不均一。因此，研究取向一致和光学性质均一的单畴二维纳米液晶，并创造出新型高饱和度、宽色域和高稳定性的液晶光学材料将具有科学研究价值和工业应用前景。项目主要开展的研究内容如下所述：研究液晶微胶囊的形成条件和机制，制备磷酸锆液晶，设计微流控芯片实验平台，构建微尺度分步式液液乳化方法；建立外场下液晶发生取向变化的理论模型，研究液晶发生取向变化的阈值强度和响应时间，研究水凝胶网络与二维纳米液晶之间的氢键作用力和物理缠绕作用协同稳定液晶取向的机制；以单畴二维磷酸锆液晶为研究对象，构建其干涉显色的物理模型，通过调控磷酸液晶的体积分数、外场作用强度和作用时间等，制备单畴二维磷酸锆液晶。取得的研究结果包括：采用湿化学法和微波水热法制备了磷酸锆纳米晶, 采用基于季铵碱的化学剥离法得到了单层二维磷酸锆纳米片；依据Onsager理论形成了高质量的二维磷酸锆向列相液晶；基于Michel-Levy干涉色的原理，制备了多色的单畴二维磷酸锆向列相液晶，并采用亲水性聚合物将其单畴结构稳定；构建了用于制备液晶微胶囊的微流控平台，实现了液晶微胶囊的普适性制备。二维磷酸锆胶体形成全溶致液晶的临界体积浓度为1%，形成单畴溶致液晶的外界磁场强度大于等于0.8T，用于稳定二维磷酸锆单畴液晶的水凝胶中聚合物的质量百分最佳百分比为20%。 本项目的科学意义包括：创新性提出采用微流控精准制备液晶微胶囊，制备出具有各种光学性能的液晶单元，为液晶在光学上的应用提供新策略；施以外场诱导液晶微胶囊形成复杂空间拓扑结构，采用水凝胶网络固定液晶微观结构，为实现持久稳定的液晶功能材料提供新思路；通过精确控制二维磷酸锆液晶的单畴取向，结合干涉显色原理，开创以二维纳米片为核心组分的液晶光学材料。