RIKEN ostvaruje novi napredak u ultraširokom temperaturnom rasponu (-180~240 stupnjeva ) laseru s tekućim kristalima plave faze

Laseri s tekućim kristalima plave faze (BPLC), sa svojim niskim laserskim pragom, odgovorom na više podražaja, višesmjernom emisijom i rekonfigurabilnošću u stvarnom vremenu, imaju velike izglede za primjenu u senzorima, prikazima i borbi protiv krivotvorenja. Trenutačno istraživanje lasera s tekućim kristalima plave faze uključuje mogućnost podešavanja valne duljine lasera pod vanjskim podražajima (npr. svjetlo, elektricitet, toplina, sila itd.), a uzak temperaturni prozor samih BPLC-a doveo je do sve većeg interesa u proučavanju BPLC lasera široke temperaturne domene. Usvajanje polimernih stabilizacijskih sustava uspješno je proširilo temperaturni raspon BPLC na 500 stupnjeva, što također dovodi do odgovarajućeg proširenja temperaturnog raspona BPLC lasera. Međutim, u usporedbi s drugim organskim laserima, nasumična kristalizacija malih molekula mobilne faze u BPLC-ima na niskim temperaturama i loša kompatibilnost između boje i sustava čine emitiranje lasera ispod 0 stupnjeva u BPLC-u izazovnim. Štoviše, radni mehanizam BPLC lasera na niskim temperaturama još uvijek nije jasan. Ovo ozbiljno ograničava potencijalne primjene BPLC lasera u drugim niskotemperaturnim okruženjima kao što su polarni, duboki ocean i svemir. Stoga je dizajn prikladnih BPLC sustava koji zadovoljavaju dobru kompatibilnost sustava i niskotemperaturnog antifriza važan za razvoj niskotemperaturnih BPLC lasera.
Kako bi riješili gore navedene probleme, tim akademika Jianga Leija i istraživača Wang Jingxia iz Centra za bionanomaterijale i znanost o sučeljima Instituta za fiziku i kemiju Kineske akademije znanosti pripremio je polimerom stabilizirane tekuće kristale plave faze s širok raspon temperatura (-190 stupanj ~360 stupnjeva ) u njihovom prethodnom radu (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); podešavanjem središta zabranjenog pojasa i uzoraka boje tekućih kristala plave faze, uspjeli smo postići iste rezultate. Podešavanjem pripremljenog središta pojasnog razmaka tekućeg kristala plave faze, parametra sređivanja boje, kvalitete rezonantne šupljine i energije pumpe, postignuto je kontrolirano površinsko zračenje od jednog do četiri moda u rezonantnim šupljinama tekućih kristala plave faze dopiranih bojom (C6-BPLC) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); pripremljeni tekući kristali plave faze koriste se kao šabloni za pripremu visoko razlučenih višebojnih tekućih kristala plave faze. Koristeći pripremljene plave tekuće kristale kao predloške, pripremljeni su višebojni plavi tekući kristali visoke rezolucije (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); i reguliranjem sadržaja polimera u plavim tekućim kristalima, dobiven je polimerni sustav skele plavih tekućih kristala, a temperaturni raspon BPLC-a je proširen na 25~230 stupnjeva (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Nedavno je istraživački tim uspješno realizirao širok raspon temperature lasera ({{0}} stupnjeva) ispod 0 stupnjeva racionalnim odabirom i dizajnom sustava, smanjujući slučajnu kristalizaciju malih molekula tekućeg kristala na niskim temperaturama sveopćom polimerizacijom i odabirom lančano savitljivih monomera tekućih kristala (RM105) i molekula boja (DCM) kako bi se poboljšala kompatibilnost sustava. Pokazalo se da su potpuno polimerni BPLC pokazali usku širinu laserske linije (0,0881 nm) i nizak laserski prag (37 nJ/pulsu) zbog dobre kompatibilnosti sustava; u međuvremenu, potpuno polimerizirani sustav povećao je foto-termalnu stabilnost uzoraka, uključujući dovoljne signale refleksije/fluorescencije, odgovarajuće kvantne prinose i životni vijek fluorescencije, usklađene spektre refleksije i fluorescencije, stabilnu izradu BPLC-a i visoku temperaturu razgradnje, što je omogućilo uzorcima emitirati lasersko svjetlo u -180-240 stupnjeva. Osim toga, pravila varijacije laserske valne duljine i praga BPLC-a na niskoj temperaturi (<0 ℃) are revealed for the first time, i.e., red-shifted laser wavelength and increasing laser threshold with decreasing temperature, resulting in a red-shifted laser wavelength and a "U"-shaped laser threshold in -180~240 ℃. These unique laser behaviors are related to the temperature-dependent anisotropic deformation of the BP lattice (-180-0 ℃: BPI lattice contracted along the (110) direction; 0-26.7 ℃: almost unchanged BPI lattice; 26.7-240 ℃: BPI lattice accelerated to expand along the (110) direction). This work not only opens the door to low-temperature BPLCs, but also provides important insights into the design of novel organic optical devices.
Rezultati su predstavljeni kao superširoki temperaturni laseri raspona od -180 stupnjeva do 240 stupnjeva temeljeni na potpuno polimeriziranim superstrukturama plave faze, objavljenim u Advanced Materials.
Autor članka za korespondenciju je dr. Jingxia Wang s Instituta za fiziku i kemiju Kineske akademije znanosti. Yujie Chen, doktorant na IUPAC-u, CAS, bio je prvi autor. G. Jing Li i g. Feng Jin iz IUPAC-a pomogli su u laserskoj karakterizaciji tekućih kristala plave faze, prof. Lei Shi s Odjela za fiziku Sveučilišta Fudan pomogao je u karakterizaciji fotonskog razmaka tekućih kristala plave faze, i akademik Lei Jiang s Instituta za fiziku i kemiju Kineske akademije znanosti pružili su stručno vodstvo i pomoć za ovu studiju.
Ovo istraživanje podržali su Nacionalna zaklada za prirodne znanosti Kine i Nizozemski istraživački program Kineske akademije znanosti.

Slika 1. Kemijska struktura i karakterizacija potpuno polimeriziranih BPLC. a) Kemijske strukturne formule tvari korištenih u potpuno polimeriziranim uzorcima dopiranih boja; b) Shematski dijagram mikrostrukturnih promjena uzoraka u domeni laserske temperature od -180 - 240 stupnjeva; c) TEM plohe; d) Kosselove parcele; Promjenjiva temperatura e) spektri refleksije i f) spektri fluorescencije uzoraka -180 - 240 stupnja; g) ovisnost valne duljine lasera o temperaturi; h) usporedba ovog rada s rasponom radnih temperatura lasera s tekućim kristalima plave faze u literaturi.

Slika 2. Usporedba performansi ovog potpuno polimernog sustava s drugim sustavima i test kompatibilnosti boje. a) Usporedba raspona temperature lasera; b) Usporedba laserskog praga na sobnoj temperaturi; c) Ispitivanje topljivosti boje pod POM c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90.0 mg C6M + 4.5 mg C6, na 120 stupnjeva. To znači da DCM ima bolju kompatibilnost s RM105. df) Teorijski proračuni gustoće kohezijske energije (CED), eksperimentalni sustav: RM105 + RM257 + DCM; sustav upravljanja: C6M + C6. Eksperimentalni sustav ima veći CED i parametar topljivosti (δ) od kontrolnog sustava, što sugerira da potpuno polimerni sustav ima bolju kompatibilnost od C6M + C6. g) D) Teorijski izračuni DCM-a, RM105 + 4.5 mg DCM-a; c2) 90,0 mg C6M + 4.5 mg C6 na 120 stupnjeva. (g) DSC dijagram, postoji samo jedna temperatura staklastog prijelaza (Tg=26.7 stupnjeva ) za potpuno polimerni uzorak, dok ne postoji samo Tg (-42.94 stupnjeva ), već također vrh kristalizacije (Tc=-24.95 stupnjeva ) i vrh faznog prijelaza nepolimerizirane komponente (TBP=77.35 stupnjeva ) za uzorak sa stupnjem polimerizacije od 25 tež.%. (TBP= 77.35 stupnjeva).
Slika 3. Laserska svojstva uzoraka svih polimera. ab) Spektri emisije, -180-240 stupanj ; cd) FWHM lasera na sobnoj temperaturi; e) Laserski prag na sobnoj temperaturi; f) Prag prema temperaturi u obliku slova "U".

Slika 4. Analiza fototermalnih svojstava uzoraka svih polimera. a) Termogravimetrijska analiza; bd) In situ promjenjiva temperatura XRD; e) Relativni položaji vrhova refleksije i vrhova fluorescencije na različitim temperaturama; f) Valna duljina središta refleksije/intenzitet refleksije u odnosu na temperaturu; Promjenjive temperature g) Kvantni prinosi i h) Životni vijek fluorescencije; i) In situ dijagrami POM promjenjive temperature; j) Kutno razlučni spektri in situ promjenjive temperature (način refleksije).

Slika 5. In-situ Kosselova varijacija tijekom promjene temperature uzoraka svih polimera. a) Kosselove parcele; b) Kosselovi dijagrami / BP rešetka u zavisnosti od temperature; c) Kružni polumjer Kosselova središta (R) i valna duljina središta refleksije (λ) u odnosu na temperaturu (T).

Slika 6. Mikrostrukturne promjene i druga svojstva lasera svih polimernih uzoraka tijekom promjene temperature. a) Promjene BP rešetke pri različitim temperaturama. a1) BPI rešetka skupljena duž (110); a2) gotovo nepromijenjena BPI rešetka; a3) ubrzano širenje BPI kristala duž (110); b) laserska emisija u tri ortogonalna smjera x, y i z, energija pumpe: 0.205 μJ/pulsu; c) polarizacijski test lasera, L/RCP: lijevo/desno cirkularno polarizirano svjetlo, energija pumpe: 0,205 μJ/pulsu. energija pumpe: 0,205 μJ/pulsu.