從2017 Liquid Crystal GRC看液晶的發展與應用

 

刊登日期:2017/11/1
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廖釗鋙、劉仕賢/工研院材化所

2017 Liquid Crystal - Gordon Research Conference 6月中在美國緬因州的新英格蘭大學舉辦,會議為期六天,會中共有31場演講與四場壁報論文分享。演講主題與液晶相關的研究成果,包含自組裝材料、奈米材料、光學材料、感知器、生物應用與理論計算等,各領域皆有國際知名教授分享研究經驗並討論未來發展趨勢,本篇文章將分享作者在會中的見聞。

前言
液晶是一種同時具有液體流動性和晶體排列性的材料,其獨特的性質在材料應用上具有很大潛力。過去五十年來被廣泛使用在顯示螢幕上;從最早電子手錶使用的黑白顯示面板,到近年來最熱門的智慧型手機與超高解析大尺寸電視顯示面板,生活周遭所看到的顯示器幾乎都使用到液晶材料,液晶可謂是近幾十年來最重要的材料之一。

過去研發人員多專注在液晶顯示效能提升的研究上,在此領域的開發已相當成熟。儘管如此,液晶獨特的性質仍吸引科學家們投入大量心力進行開發,近年來已經有許多全新領域的應用發表,如膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)、液晶彈性體(Liquid Crystal Elastomer)、液晶結合奈米粒子(Nanoparticle) 以及盤狀液晶(Discotic Liquid Crystal)的新應用。本文將分享上述四個領域的最新研究成果。

膽固醇液晶
膽固醇液晶是一種以螺旋性層狀排列的液晶相,能藉由在向列型液晶中添加旋光劑(Chiral Dopant)來形成此特性。膽固醇液晶相的特殊螺旋結構可以選擇性的讓不同旋性的入射光穿透與反射,反射光會遵循布拉格定律(Bragg’s Reflection Law),其波長與膽固醇液晶的螺距(Pitch)相關,因此能藉由調整螺距來改變膽固醇液晶的顏色(圖一)。

圖一、膽固醇液晶螺旋結構
圖一、膽固醇液晶螺旋結構

法國國家科學研究中心(CNRS)的Michel Mitov教授在會中分享膽固醇液晶寡聚物(Oligomer)的研究經驗,他將膽固醇液晶寡聚物塗佈在塑膠基板上,經過退火處理後會產生不規則的多邊型格狀膽固醇液晶薄膜結構,這種結構與寶石金龜(Chrysina Gloriosa)表皮結構相似,具有做為微透鏡(Microlens)與微鏡(Micromirrors)相關材料的應用價值(圖二)。

圖二、寶石金龜表皮微結構(a.b)與液晶寡聚物微結構(c.d)
圖二、寶石金龜表皮微結構(a.b)與液晶寡聚物微結構(c.d)

Mitov教授將兩者進行一系列的比較,發現在穿透光光譜中,人工合成的膽固醇液晶薄膜在波長440-460奈米時,多邊形的中心位置穿透強度較高,波長600-800奈米則是周圍的穿透強度較高,而甲蟲表皮組織的在475-500奈米周圍的穿透強度較高,波長600奈米以上則是中心的穿透強度較高,兩者呈現截然不同的光學性質。現階段技術,由人工合成取得的膽固醇液晶薄膜在光學性質上仍無法達到與自然界中存在的天然物相同的特性,未來在製程方法與材料選擇上還需要更多的突破才能達到目標(圖三)。

圖三、膽固醇液晶寡聚物與寶石金龜表面微結構光學特性比較
圖三、膽固醇液晶寡聚物與寶石金龜表面微結構光學特性比較

Mitov教授近期也發表一篇膽固醇液晶的回顧論文(Review Paper),內容主要是介紹在生物體中所含物質以膽固醇液晶型式排列的例子,例如組成甲殼類生物外殼的主要成分為幾丁質(Chitin),幾丁質與蛋白質所構成的原纖維(Fibril)網絡是組成甲殼類生物外殼主要構造,此結構在顯微鏡下觀察是由夾層結構所組成,每一層中的纖維則是呈現螺......以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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