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華科大解孝林教授、彭海炎教授、張?jiān)平淌趫F(tuán)隊(duì) Macromolecules：基于液晶的全息塑料
2024-03-13  來(lái)源：高分子科技

  激光全息技術(shù)是利用激光相干原理構(gòu)建精細(xì)微納結(jié)構(gòu)并同時(shí)存儲(chǔ)光波振幅、相位等全部信息的光學(xué)技術(shù)，已發(fā)展成為一種新興的塑料精細(xì)加工方法。通過激光全息技術(shù)加工成型得到的塑料稱為全息塑料，在柔性、質(zhì)輕的三維顯示、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高端防偽等高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。在全息塑料中引入液晶，不僅通過液晶的降黏作用促進(jìn)全息加工，也通過液晶的外場(chǎng)響應(yīng)特性賦予全息塑料刺激響應(yīng)功能，滿足更廣泛的應(yīng)用需求。盡管這一跨學(xué)科領(lǐng)域的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但仍有幾個(gè)基本問題亟待回答：(1) 從材料科學(xué)的角度能否建立折射率調(diào)制度與相位調(diào)制的定量關(guān)系？(2) 對(duì)于光柵結(jié)構(gòu)分別為透射式和反射式的全息塑料，折射率調(diào)制的原理是否一致？(3) 面向未來(lái)應(yīng)用需求，全息塑料特別是基于液晶的全息塑料仍面臨哪些重要挑戰(zhàn)？


  近期，華中科技大學(xué)解孝林教授、彭海炎教授、張?jiān)平淌趫F(tuán)隊(duì)在Macromolecules發(fā)表了題為“Holographic Plastics with Liquid Crystals”的Perspective類型專論文章。  


圖1 全息塑料的代表性應(yīng)用


  專論首先介紹了全息塑料的一些典型應(yīng)用 (圖1)，然后通過公式推導(dǎo)，給出了透射式和反射式全息光柵的光柵周期 (間距) 計(jì)算方法。在計(jì)算過程中，透射式光柵無(wú)須考慮材料的折射率 (公式1)，而反射式全息光柵必須考慮材料的平均折射率 (公式2)。透射式與反射式全息光柵的衍射效率對(duì)折射率調(diào)制度的依賴關(guān)系也不同。對(duì)于非傾斜光柵，在布拉格條件下的衍射效率應(yīng)分別采用公式3和公式4計(jì)算。對(duì)于探測(cè)波長(zhǎng)和角度變化的情況，可以根據(jù)Kogelnik耦合波理論進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

  (1)

  (2)

  (3)

  (4)


  由于折射率調(diào)制度為相干亮區(qū)與相干暗區(qū)折射率差值的一半，專論進(jìn)一步通過公式推導(dǎo)，指出全息塑料對(duì)探測(cè)光調(diào)制而引起的相位變化與折射率調(diào)制度線性相關(guān) (公式5)，這個(gè)簡(jiǎn)單的公式明確了提高折射率調(diào)制度的重要意義。


  (5)


  在基于液晶的全息塑料研究進(jìn)展方面，專論從結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控的角度進(jìn)行了概述，重點(diǎn)討論了光引發(fā)劑、光聚合單體、液晶、納米粒子摻雜、AIE分子摻雜的影響。專論最后從材料科學(xué)研究的角度指出了該領(lǐng)域亟待解決的幾個(gè)重要挑戰(zhàn)：(1) 更高的折射率調(diào)制度。提高折射率調(diào)制度不僅可以提高全息塑料的衍射效率，還能提供寬的光譜和角度帶寬，從而增加AR顯示 (如AR-HUD) 的亮度和視場(chǎng)角，要求發(fā)展新的材料體系。(2) 高的加工效率。在實(shí)際生產(chǎn)中，材料的加工特性需要滿足大尺寸快速制造的工藝要求。然而，基于液晶的全息塑料通過相干激光聚合誘導(dǎo)相分離原理成型，提高聚合反應(yīng)速率雖然有助于縮短加工時(shí)間，但會(huì)導(dǎo)致體系凝膠化過快、相分離不充分，最終導(dǎo)致全息塑料的光學(xué)品質(zhì)下降。(3)高衍射效率的反射式全息塑料。在反射式全息塑料中，光柵周期小至幾十納米，導(dǎo)致在相干亮區(qū)生成的自由基非常容易擴(kuò)散到相干暗區(qū)，使相干暗區(qū)也發(fā)生聚合反應(yīng)，導(dǎo)致液晶擴(kuò)散受阻、體系相分離程度降低。因此對(duì)于基于液晶的全息塑料，反射式光柵的衍射效率普遍低于75%。(4)長(zhǎng)期服役可靠性。液晶分子的穩(wěn)定性受環(huán)境影響，比如需要避免陽(yáng)光直射。將小分子液晶替換為高分子液晶或者增加體系的交聯(lián)程度有助于提高這類全息塑料的環(huán)境穩(wěn)定性，但通常會(huì)影響相分離。(5)多重光學(xué)圖像的正交存儲(chǔ)。多重圖像的正交存儲(chǔ)與無(wú)串?dāng)_顯示是高端防偽技術(shù)的發(fā)展要求，一方面能夠增加信息容量，提高防偽等級(jí)，另一方面也降低材料總厚度 (<30 μm)，更好滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。結(jié)合全息、光致發(fā)光等光學(xué)特征，并利用液晶對(duì)溫度、電場(chǎng)和偏振的響應(yīng)特性，有助于將不同光學(xué)功能集成到單一材料中。在透射式全息塑料中集成多重光學(xué)圖像已有相關(guān)報(bào)道，但在反射式全息塑料中集成多重圖像仍面臨挑戰(zhàn)。 


圖2 透射式全息光柵 (a、c、e) 和反射式全息光柵 (b、d、f) 的波長(zhǎng)選擇性和角度選擇性曲線


  該課題組一直聚焦全息塑料的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，在模壓全息塑料、光聚合全息塑料的高性能化和多功能化方面取得了重要進(jìn)展，在科學(xué)出版社出版了領(lǐng)域內(nèi)首部專著《全息高分子材料》，代表性期刊論文有：Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202315061; J. Mater. Chem. C 2023, 11, 3504; Macromolecules 2023, 56, 5457; 高分子學(xué)報(bào) 2023, 54, 418; 高分子學(xué)報(bào) 2022, 53, 722; Adv. Sci. 2022, 9, 2105903;J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6285; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 10066; Macromolecules 2015, 48, 2958; Macromolecules 2014, 47, 2306; J. Am. Chem. Soc.2014, 136, 8855.


  文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c02011

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