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華科大解孝林教授、彭海炎教授、張云教授團隊 Macromolecules：基于液晶的全息塑料

2024-03-13 來源：高分子科技

激光全息技術是利用激光相干原理構建精細微納結構并同時存儲光波振幅、相位等全部信息的光學技術，已發展成為一種新興的塑料精細加工方法。通過激光全息技術加工成型得到的塑料稱為全息塑料，在柔性、質輕的三維顯示、增強現實/虛擬現實、高密度數據存儲、高端防偽等高新技術領域具有重要應用價值。在全息塑料中引入液晶，不僅通過液晶的降黏作用促進全息加工，也通過液晶的外場響應特性賦予全息塑料刺激響應功能，滿足更廣泛的應用需求。盡管這一跨學科領域的研究已經相當廣泛，但仍有幾個基本問題亟待回答：(1) 從材料科學的角度能否建立折射率調制度與相位調制的定量關系？(2) 對于光柵結構分別為透射式和反射式的全息塑料，折射率調制的原理是否一致？(3) 面向未來應用需求，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？

近期，華中科技大學解孝林教授、彭海炎教授、張云教授團隊在Macromolecules發表了題為“Holographic Plastics with Liquid Crystals”的Perspective類型專論文章。

圖1 全息塑料的代表性應用

專論首先介紹了全息塑料的一些典型應用 (圖1)，然后通過公式推導，給出了透射式和反射式全息光柵的光柵周期 (間距) 計算方法。在計算過程中，透射式光柵無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折射率調制度的依賴關系也不同。對于非傾斜光柵，在布拉格條件下的衍射效率應分別采用公式3和公式4計算。對于探測波長和角度變化的情況，可以根據Kogelnik耦合波理論進行計算，結果如圖2所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

由于折射率調制度為相干亮區與相干暗區折射率差值的一半，專論進一步通過公式推導，指出全息塑料對探測光調制而引起的相位變化與折射率調制度線性相關 (公式5)，這個簡單的公式明確了提高折射率調制度的重要意義。

(5)

在基于液晶的全息塑料研究進展方面，專論從結構和性能調控的角度進行了概述，重點討論了光引發劑、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研究的角度指出了該領域亟待解決的幾個重要挑戰：(1) 更高的折射率調制度。提高折射率調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) 的亮度和視場角，要求發展新的材料體系。(2) 高的加工效率。在實際生產中，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相分離原理成型，提高聚合反應速率雖然有助于縮短加工時間，但會導致體系凝膠化過快、相分離不充分，最終導致全息塑料的光學品質下降。(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，導致在相干亮區生成的自由基非常容易擴散到相干暗區，使相干暗區也發生聚合反應，導致液晶擴散受阻、體系相分離程度降低。因此對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)長期服役可靠性。液晶分子的穩定性受環境影響，比如需要避免陽光直射。將小分子液晶替換為高分子液晶或者增加體系的交聯程度有助于提高這類全息塑料的環境穩定性，但通常會影響相分離。(5)多重光學圖像的正交存儲。多重圖像的正交存儲與無串擾顯示是高端防偽技術的發展要求，一方面能夠增加信息容量，提高防偽等級，另一方面也降低材料總厚度 (<30 μm)，更好滿足工業生產需求。結合全息、光致發光等光學特征，并利用液晶對溫度、電場和偏振的響應特性，有助于將不同光學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圖像已有相關報道，但在反射式全息塑料中集成多重圖像仍面臨挑戰。

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理論與應用研究，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展，在科學出版社出版了領域內首部專著《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; 高分子學報 2023, 54, 418; 高分子學報 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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（責任編輯：xu）

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