噴墨打印技術(shù)在手性向列相液晶液滴中按需調(diào)節(jié)節(jié)距的應(yīng)用

介紹

長(zhǎng)期以來，人們一直致力于開發(fā)不同的方法來調(diào)節(jié)手性向列相液晶（CLC）的選擇性反射帶。識(shí)別易于調(diào)整手性向列相液晶（CLC）的節(jié)距，從而調(diào)整手性向列相液晶（CLC）的反射顏色，對(duì)于許多不同的光子學(xué)應(yīng)用（包括光學(xué)濾波器、彩色顯示器和無(wú)反光鏡激光器）都*有意義。然而，精確控制螺旋節(jié)距可能具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)上，CLC器件通常由夾在玻璃基材之間的薄層液晶材料組成。然而，人們逐漸關(guān)注將液晶材料加工成獨(dú)立式噴墨打印微滴，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的薄膜器件相比，它們具有更高的靈活性和可擴(kuò)展性的潛力。

牛津大學(xué)工程科學(xué)系的Stephen M. Morris教授團(tuán)隊(duì)引入了一種創(chuàng)新方法，通過以按需噴墨（DOD）方式將非手性向列液晶液滴沉積到短節(jié)距CLC液滴中來調(diào)整其反射顏色。按需噴墨（DOD）打印所實(shí)現(xiàn)的量化噴墨允許NLC以微晶狀液滴的形式進(jìn)行精確的體積沉積，從而形成更長(zhǎng)節(jié)距的液滴，隨后反射延長(zhǎng)波長(zhǎng)的光。通過以這種方式數(shù)字控制節(jié)距，展示了基于CLC的綜合顏色庫(kù)的制作，這表明了一種在大波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)整CLC液滴節(jié)距以反映不同顏色調(diào)色板的新方法。最后，研究團(tuán)隊(duì)通過空間調(diào)整形成三個(gè)字母特征的CLC液滴的反射顏色來證明這種技術(shù)的實(shí)際可行性。

實(shí)驗(yàn)使用的噴墨打印系統(tǒng)為MicroFab的Jetlab II和MicroFab的定制噴墨打印系統(tǒng)，兩套設(shè)備配合使用，并配備了噴口直徑80μm的壓電噴頭（MJ-AT-01-80），使用MicroFab JetLab II制備了初始的短節(jié)距CLC液滴（圖2中的步驟i?），從溫度保持在70°C的80μm壓電噴頭噴射出30個(gè)液滴，并打印形成網(wǎng)格（10×15網(wǎng)格，液滴間距為500μm），基材上液滴最終直徑為369μm。

然后將打印的CLC樣品轉(zhuǎn)移到內(nèi)部構(gòu)建的MicroFab定制噴墨打印系統(tǒng)，該打印機(jī)配有相同的80μm壓電噴頭，由JetDrive驅(qū)動(dòng)，如下所示如圖3a所示。然后用注射器將NLC供應(yīng)到分配器，用螺釘控制以確保噴嘴口液面狀態(tài)。通過閉環(huán)加熱器控制器確保噴頭保持在70°C的恒定溫度。

圖3b展示了固著的CLC液滴，其中一部分摻雜了NLC液滴。由于添加了NLC，底行呈現(xiàn)出顏色變化。補(bǔ)充打印的NLC液滴數(shù)量范圍在0到29之間。在大多數(shù)液滴中觀察到的藍(lán)色反射表明未稀釋的短節(jié)距CLC。值得注意的是，這些液滴沒有被頂部基材封裝，也沒有受到任何熱處理。*明顯，與短節(jié)距CLC相比，NLC液滴的添加改變了液滴的反射顏色，從藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槌壬?。然而，仔?xì)檢查后發(fā)現(xiàn)液滴上存在顏色梯度，這可能是由于室溫下混合不良造成的。圖3b中的插圖顯示了未稀釋的CLC墨水組合物的光子帶隙/反射帶，其液滴成分是CLC墨水。

圖4a展示了噴墨的噴射動(dòng)力學(xué)，顯示了單個(gè)NLC液滴（空中直徑69±3μm）到達(dá)、撞擊和聚結(jié)為固著的CLC液滴（基材上直徑369μm）過程。NLC在與CLC液滴撞擊時(shí)迅速減速，其動(dòng)量由于粘度而迅速消散。在最初的幾毫秒之后，正如高速成像所顯示的那樣，NLC流體被限制在組合液滴內(nèi)的一小部分內(nèi)（參見圖4a中的25ms和75ms幀）。500ms后，NLC流體在圖4a的最后一張圖像中幾乎看不見，表明流體已反沖到組合液滴的頂部（側(cè)視圖），靠近撞擊部位。特別是，內(nèi)部界面幾乎沒有拉伸和折疊，可以通過減小擴(kuò)散必須發(fā)生的長(zhǎng)度尺度來提高混合效率。因此，NLC必須通過分子擴(kuò)散與CLC在整個(gè)液滴的長(zhǎng)度范圍（L   ~300μm）上緩慢混合，而沒有任何明顯的平流貢獻(xiàn)。這一觀察結(jié)果與類似尺寸的噴墨打印液滴的文獻(xiàn)一致，其中如果撞擊液滴和固著的液滴具有相似的尺寸和特性，則平流不會(huì)顯著提高混合效率。

圖5顯示了液滴內(nèi)部反射顏色的對(duì)準(zhǔn)質(zhì)量和外觀結(jié)果。從頂部和底部基材觀察時(shí)，螺旋狀CLC結(jié)構(gòu)域的排列顯示不對(duì)稱，如圖5a所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5b所示。光學(xué)顯微鏡圖像表明，靠近底部襯底的手性結(jié)構(gòu)接近理想的Grandjean紋理，而自上而下的紋理不太均勻，特別是在圖像中心附近。此外，長(zhǎng)節(jié)距的綠色和紅色CLC液滴的獨(dú)立液滴圖像表明，NLC完全擴(kuò)散，呈現(xiàn)綠色和紅色的反射色調(diào)，與短節(jié)距（藍(lán)色）CLC液滴一樣（見圖5c）。

為了實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同節(jié)距液滴的反射光譜，如圖6a中的光學(xué)顯微鏡圖像所示，將 USB光譜儀連接到配備反射臂的奧林巴斯顯微鏡的光電管。實(shí)際上，由于光譜技術(shù)和液滴配置的限制，圖6b中所示的測(cè)量反射光譜不是矩形的，而是近似高斯形狀。為了找到它們的中點(diǎn)，需要使用高斯擬合。

最后，研究團(tuán)隊(duì)通過演示如何使用該技術(shù)來創(chuàng)建彩色圖形作為結(jié)論。圖7展示了短節(jié)距CLC打印陣列的示例，通過將預(yù)定數(shù)量的NLC液滴打印到固著的CLC液滴中，將其“調(diào)整”為不同的顏色。通過精確控制NLC沉積，團(tuán)隊(duì)成功形成了如圖所示的字母數(shù)字字符“SMP”。在圖7b中，團(tuán)隊(duì)以S、M和P字符顯示了所得液滴的相應(yīng)反射光譜。在該研究中，考慮到基于打印的CLC器件的長(zhǎng)期應(yīng)用，還檢查了打印的CLC液滴在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的光學(xué)紋理和反射顏色的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的推移，光學(xué)紋理或反射顏色沒有變化，表明穩(wěn)定性*高。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kamal, Waqas & Orr, Alva & Sykes, Thomas & Castrejón-Pita, Alfonso & Elston, Steve & Morris, Stephen. On-demand pitch tuning of printed chiral nematic liquid crystal droplets[J].Materials Today Advances. 2023; vol.19, 100416.