RIKEN pravi novi napredak u ultraširokom temperaturnom opsegu (-180~240 stepeni) laser s tekućim kristalima plave faze

Laseri s tekućim kristalima plave faze (BPLC), sa svojim niskim pragom lasera, odgovorom na više stimulansa, višesmjernom emisijom i rekonfiguracijom u realnom vremenu, imaju velike izglede za primjenu u otkrivanju, prikazu i borbi protiv krivotvorenja. Trenutno, istraživanja o laserima s tekućim kristalima plave faze uključuju podešavanje talasne dužine lasera ​​pod vanjskim stimulansima (npr. svjetlost, električna energija, toplota, sila, itd.), a uzak temperaturni prozor samih BPLC-a doveo je do sve većeg interesa u proučavanju BPLC lasera širokog temperaturnog domena. Usvajanje sistema za stabilizaciju polimera uspješno je proširilo temperaturni raspon BPLC na 500 stepeni, što također dovodi do odgovarajućeg proširenja temperaturnog raspona BPLC lasera. Međutim, u poređenju sa drugim organskim laserima, nasumična kristalizacija malih molekula mobilne faze u BPLC-ima na niskim temperaturama i loša kompatibilnost između boje i sistema čine izazovnim emitovanje lasera ispod 0 stepeni u BPLC-ovima. Štaviše, mehanizam rada BPLC lasera na niskim temperaturama je još uvijek nejasan. Ovo ozbiljno ograničava potencijalnu primjenu BPLC lasera u drugim okruženjima s niskim temperaturama kao što su polarni, duboki oceani i svemir. Stoga je dizajn odgovarajućih BPLC sistema koji zadovoljavaju dobru kompatibilnost sistema i niskotemperaturnog antifriza važan za razvoj niskotemperaturnih BPLC lasera.
Kako bi riješili gore navedene probleme, tim akademika Jiang Leija i istraživača Wang Jingxia iz Centra za bionanomaterijale i nauku o međusklopima Instituta za fiziku i hemiju Kineske akademije nauka, pripremio je polimerom stabilizirane tečne kristale plave faze sa širok raspon temperatura (-190 stepen ~360 stepeni) u svom prethodnom radu (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); podešavanjem centara razmaka i uzoraka boja tečnih kristala plave faze, uspjeli smo postići iste rezultate. Podešavanjem pripremljenog centra razmaka tekućih kristala plave faze, parametra naručivanja boja, kvaliteta rezonantne šupljine i energije pumpe, postignuto je kontrolirano lasersko zračenje površinske emisije od jednog do četiri moda u rezonantnim šupljinama tečnih kristala dopiranih bojom. (C{15}}BPLC) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); pripremljeni tečni kristali plave faze koriste se kao šabloni za pripremu visoko razlučenih tečnih kristala plave faze. Koristeći pripremljene plave tečne kristale kao šablone, pripremljeni su višebojni plavi tečni kristali visoke rezolucije (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); i regulisanjem sadržaja polimera u plavim tečnim kristalima, dobijen je sistem polimerne skele plavih tečnih kristala, a temperaturni opseg BPLC-a je proširen na 25~230 stepeni (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Nedavno je istraživački tim uspješno realizovao širok raspon laserske temperature ({{0}} stepen) ispod 0 stepena racionalnim odabirom i dizajnom sistema, smanjujući slučajnu kristalizaciju malih molekula tečnih kristala na niskim temperaturama. temperature potpunom polimerizacijom i odabirom lanca fleksibilnih monomera tečnih kristala (RM105) i molekula boje (DCM) kako bi se poboljšala kompatibilnost sistema. Pokazalo se da potpuno polimerni BPLC-ovi pokazuju usku lasersku širinu (0,0881 nm) i nizak laserski prag (37 nJ/puls) zbog dobre kompatibilnosti sistema; u međuvremenu, potpuno polimerizirani sistem povećao je fototermalnu stabilnost uzoraka, uključujući dovoljne signale refleksije/fluorescencije, odgovarajuće kvantne prinose i vijek trajanja fluorescencije, usklađene spektre refleksije i fluorescencije, stabilnu proizvodnju BPLC-a i visoku temperaturu raspadanja, što je omogućilo uzorcima da emituju lasersko svjetlo u -180-240 stepenu. Osim toga, pravila varijacije laserske talasne dužine 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 super-široki temperaturni laseri u rasponu od -180 stepena do 240 stepeni na osnovu potpuno polimerizovanih superstruktura plave faze, objavljenih u Advanced Materials.
Dopisni autor članka je dr. Jingxia Wang sa Instituta za fiziku i hemiju Kineske akademije nauka. Yujie Chen, doktorand na IUPAC-u, CAS, bio je prvi autor. G. Jing Li i g. Feng Jin iz IUPAC-a pomogli su lasersku karakterizaciju tekućih kristala plave faze, prof. Lei Shi sa Odsjeka za fiziku Univerziteta Fudan pomogao je u karakterizaciji fotonskog pojasa tečnih kristala plave faze, i akademik Lei Jiang sa Instituta za fiziku i hemiju Kineske akademije nauka dali su stručne smernice i pomoć za ovu studiju.
Ovo istraživanje podržali su Nacionalna fondacija za prirodne nauke Kine i Holandski istraživački program Kineske akademije nauka.

Slika 1. Hemijska struktura i karakterizacija potpuno polimerizovanih BPLC. a) hemijske strukturne formule supstanci koje se koriste u potpuno polimerizovanim uzorcima dopiranih boja; b) Šematski dijagram mikrostrukturnih promjena uzoraka u -180 - 240 stepenu laserskog temperaturnog domena; c) TEM parcele; d) Kossel parcele; Varijabilna temperatura e) Spektri refleksije i f) Spektri fluorescencije uzoraka od -180 - 240 stepena; g) talasna dužina lasera u odnosu na temperaturu; h) poređenje ovog rada sa radnim temperaturnim opsegom lasera sa tečnim kristalima plave faze u literaturi.

Slika 2. Poređenje performansi ovog potpuno polimernog sistema sa drugim sistemima i test kompatibilnosti boja. a) Poređenje raspona temperature lasera; b) Poređenje laserskog praga na sobnoj temperaturi; c) Test rastvorljivosti boje pod POM c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90.0 mg C6M + 4.5 mg C6, na 120 stepeni. Ovo ukazuje da DCM ima bolju kompatibilnost sa RM105. df) Teorijski proračuni gustine kohezivne energije (CED), eksperimentalni sistem: RM105 + RM257 + DCM; sistem upravljanja: C6M + C6. Eksperimentalni sistem ima veći CED i parametar rastvorljivosti (δ) od kontrolnog sistema, što sugeriše da potpuno polimerni sistem ima bolju kompatibilnost od C6M + C6. g) D) Teorijski proračuni DCM, RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4.5 mg C6 na 120 stepeni. (g) DSC dijagram, postoji samo jedna temperatura staklastog prelaza (Tg=26.7 stepeni) za uzorak od potpunog polimera, dok ne postoji samo Tg (-42.94 stepen), već također vrh kristalizacije (Tc=-24.95 stepeni ) i vrh fazne tranzicije nepolimerizovane komponente (TBP=77.35 stepeni ) za uzorak sa stepenom polimerizacije od 25 wt%. (TBP= 77.35 stepeni).
Slika 3. Laserska svojstva uzoraka od svih polimera. ab) Emisioni spektri, -180-240 stepen ; cd) FWHM lasera na sobnoj temperaturi; e) Laserski prag na sobnoj temperaturi; f) Prag u odnosu na temperaturu u obliku slova "U".

Slika 4. Analiza fototermalnih svojstava potpuno polimernih uzoraka. a) Termogravimetrijska analiza; bd) XRD varijabilne temperature in situ; e) Relativni položaji vrhova refleksije i vrhova fluorescencije na različitim temperaturama; f) Talasna dužina centra refleksije/intenzitet refleksije u zavisnosti od temperature; Varijabilne temperature g) Kvantni prinosi i h) Životni vijek fluorescencije; i) In situ POM dijagrami varijabilne temperature; j) In situ spektri promjenjive temperature ugaono razlučeni (režim refleksije).

Slika 5. In situ Kossel varijacija tokom promjene temperature uzoraka potpuno polimera. a) Kossel parcele; b) Kosselove dijagrame / BP rešetke u zavisnosti od temperature; c) Kružni polumjer Kosselovog centra (R) i talasna dužina centra refleksije (λ) u zavisnosti od temperature (T).

Slika 6. Mikrostrukturne promjene i druga svojstva lasera potpuno polimernih uzoraka tijekom promjene temperature. a) Promjene BP rešetke na 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 pravca x, y i z, energija pumpe: 0.205 μJ/puls; c) test polarizacije lasera, L/RCP: lijevo/desno kružno polarizirano svjetlo, energija pumpe: 0,205 μJ/puls. energija pumpe: 0,205 μJ/puls.