[发明专利]用于液晶应用的生物可获得的手性掺杂剂

说明书

本公开内容讨论了用于液晶材料的手性掺杂剂。手性掺杂剂可为生物可获得的化合物，即由微生物通过发酵产生的化合物。手性掺杂剂还可包括通过化学合成步骤进一步修饰的生物可获得的材料。本文所讨论的手性掺杂剂可包括生物分子，例如甘草次酸(1)、S‑柚皮素(2)、莽草酸(3)、α‑水芹烯(4)、桦木醇(5)、苹果酸(6)、瓦伦烯(7)或诺卡酮(8)，及其任何立体异构体或化学修饰的衍生物。本公开内容进一步示出了此类化合物在液晶材料中的光学特性。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月7日提交的美国临时申请第62/776,957号的优先权和权益，所述美国临时申请的全部内容通过引用纳入本文。

关于在联邦资助的研发下进行的发明的权利的声明

本发明在政府的支持下依据由DARPA授予的第HR0011-15-9-0014号协议进行。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本发明总体上涉及光学活性掺杂剂领域，更具体而言，涉及源自生物资源的手性掺杂剂。

背景技术

电磁(EM)辐射无处不在，包括通过紫外线、可见光、红外线、射频和低频波的X射线。保护人员和设备免受有害辐射是一项必不可少的任务。在光学频率下，为此目的使用光学滤光片。光学滤光片有两种类型：(i)吸收滤光片，其吸收有害辐射，和(ii)干涉滤光片，其反射而不是吸收。干涉滤光片在许多应用中是优选的，因为吸收辐射会导致损坏和故障。干涉滤光片通常是分层结构，以如下方式反射来自每个界面的光：使得传播波相消干涉并抵消，而反射波相长干涉，并且基本上所有入射光都被反射，而不会损坏滤光片。

干涉滤光片之所以昂贵，主要是由于构建精确分层结构所需的复杂处理。胆甾型液晶是自组装成这种周期性结构的手性液体。

此外，自组装结构的层间距和光学特性可由外场控制。因此，胆甾型液晶非常适合光学滤光片应用。它们用于显示器、化妆品、油漆、涂料、化学传感器、激光腔和其他光子器件。

由于巨大的内在潜力，目前正在开发用于眼睛和其他传感器保护的胆甾型滤光片。然而，在实现有效的实用器件之前，需要进行材料改进。滤光片可以是静态的，具有固定的光学特性；或可以是灵活的(agile)，其中滤光片可以接通或切断，或者其中可以将滤光片调谐到不同的波长。静态滤光片需要非常高的对比度、非常低的插入损耗以及对温度变化的相对不敏感性。此外，灵活滤光片还需要可开关性和/或可调谐性。这些特性在胆甾型液晶中已经存在，但它们需要达到更高的性能水平，例如响应速度、消除效率。这些性能水平可以通过有效设计和生产改进的材料来实现。

手性向列型，也称为胆甾型液晶材料可用于多种应用，包括各种液晶(例如：LC)显示器、电子写入器或平板电脑、电子皮肤、反射膜、光学滤光片、偏振器、涂料和墨水等。已经很好地建立了制备此类材料的方法。参见例如：G.Gottarelli and G.Spada,Mol.Cyst.Liq.Cryst.,123,377(1985)；G.Spada and G.Proni,Enantiomer,3,301(1998)；E.Montbach et al,Proceedings of SPIE,7232,723203,(2009)。然而，仍然需要改进。虽然手性向列型组合物的早期使用依赖于主要由手性组分组成的混合物，但最近这类材料由向列型液晶(LC)混合物与少量手性掺杂剂组成。在这类新组合物中，通过改变向列型混合物的化学组成，可将向列型主体材料的特性(例如：尤其是粘度、双折射、电各向异性和磁各向异性)调整至适合所需应用，然后混入手性掺杂剂以引起螺旋扭曲，从而提供所需的手性向列螺距。很明显，这种手性向列型组合物的特性因此是向列型主体的特性加上掺杂剂的特性的组合。