[发明专利]液晶限域空间组装体微阵列的构建方法及其制备的液晶复合材料

说明书

本发明公开了一种液晶限域空间组装体微阵列的构建方法及其制备的液晶复合材料，将液晶在限域空间形成有序组装体、并在二维平面排列成微阵列。本发明利用具有微腔阵列结构弹性体形成组装微腔，将液晶材料填充其间，在限域条件下形成一致或渐变液晶组装体阵列，通过腔体的结构和性质调控形成的液晶组装体的微观组织结构，通过添加高分子材料调节液晶的条纹间距，通过紫外光聚合实现对该液晶自组织结构的固定。本发明能在微米尺度制备和调控液晶组装体，突破了宏观方法在液晶结构精密构建上局限，获得的组装体阵列各个单元规整一致，适合生产应用。本发明所得液晶组装体阵列的微观光学结构，在非线性光学器件、智能传感器应用上都具有重要价值。

技术领域

本发明属于高分子材料功能微纳器件制造领域，涉及一种限域空间中液晶诱导自组装体阵列的实现和组装结构调控方法。属于微纳材料和器件领域，也属于光学器件中的非线性器件领域。

背景技术

液晶是一种同时具有液体流动性和晶体有序性的物质状态，德国物理学家OttoLehmann通过对胆甾醇苯甲酸酯加热过程中在偏光显微镜下的相态变化证实了其存在。液晶按分子排列结构分类，可分为向列型液晶和近晶型液晶。向列型液晶的液晶分子长轴互相平行，分子排列自由、重心杂乱分布，粘度小，对外界的环境变化敏感，是最早被应用的液晶材料，普遍用于各类液vv4晶显示器件。胆甾型液晶是手性向列液晶，属于向列型液晶的一种。它的液晶分子扁平且具有螺旋结构，长轴间互相平行，相邻两层之间的分子长轴有一个微小的扭转角，各层分子沿着法线的方向均匀旋转，连续的变化使得液晶的整体结构具有螺旋性。螺旋旋转360度时相邻两个层面之间的距离称作是胆甾相螺距。这种手性的向列型液晶具有的圆偏振光二向色性、选择性光散射以及旋光性等特殊的光学性质，在液晶模板、光学传感器、手性拆分、手性催化、光学防伪材料等领域均有广泛应用。

液晶器件的性能取决于液晶的空间排列结构，因此构建有序可控的液晶组装体是实现特定功能的基础。在微观尺度构建具有一定结构的液晶器件，可带来诸多宏观不具有的特殊性能，特别是较大的比表面积、明显的边界效应、尺寸增强效应和环境敏感性等，因此为开拓液晶器件的性能和应用提供了较大的发展空间。例如Kumacheva课题组通过液晶液滴构建了结构可控的胆甾型液晶小球，可以实现同心圆型和平行线型的光场重构。但是现有该方面的工作仍然局限在液滴型的几何边界条件下，缺乏对边界结构和性能的灵活控制性。另一方面，也难以用于构建空间有序的组装体阵列，而后者是发挥集群效应的关键。例如哈佛大学的Capasso课题组通过微纳米结构的光学透镜渐变阵列，即光学超透镜，实现了宏观镜片难以达到的对光的精密调制。但是该类技术现在使用的材料尚局限于均匀材料。最后，作为功能器件，还需要一定的固化手段来固化材料，避免空间状态的不稳定造成部分结构平衡性的破坏，因此组装体结构的固化也是技术开发的重要目标。

综上所述，开发阵列化的局域自组装液晶结构的制备技术十分必要。但是现在对于液晶的限域空间自组装研究还处于早期，相关的技术十分有限，对其阵列化的技术探索尚未出现，亟需发展这方面的技术为功能开发奠定基础。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种液晶限域空间组装体微阵列的构建方法及其制备的液晶复合材料，每个阵列单元由液晶组装体构成，组装体中的液晶基元具有高度有序性，形成具有空间分布的偏光性能的组装体。此处采用纤维素纳米晶(CNC)材料制备的胆甾型液晶作为基本成分，形成此类组装体的特征是：液晶自身或通过与大分子、聚合物形成共混体系，在由硅橡胶弹性体材料制备的不同尺度的微腔阵列中进行自组装，通过条件控制能够实现对液晶螺距的调控和对液晶空间有序性的固定化。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：