江雷院士、王京霞研究员团队在超宽温域（-180~240 ℃）蓝相液晶激光方面取得新进展

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蓝相液晶(BPLCs)激光以其低的激光阈值、多刺激响应、多方向性发射及实时的可重构性等特点，在传感、显示及防伪等方面有着巨大的应用前景。目前，蓝相液晶激光器的研究包括在外界刺激下（如：光、电、热、力等）激光波长的可调节性，而由于BPLCs本身窄的温度窗口使得对宽温域BPLCs激光器的研究也受到了越来越多的关注。聚合物稳定体系的采用已成功的将BPLCs温域扩宽至500 ℃，这也导致相应BPLCs激光温域的扩宽。然而，相比于其它有机激光器，低温下BPLCs中流动相小分子的随机结晶及染料与体系间差的相容性，使得BPLCs激光器在0℃以下的激光发射还存在挑战。并且，低温下的BPLCs激光的工作机理尚不清楚。这严重限制了BPLCs激光器在极地、深海、太空等其它低温环境下的潜在应用。因此，设计合适的BPLCs体系以满足良好的体系相容性和低温防冻性对低温BPLCs激光器的发展十分重要。

        为解决上述问题，中国科学院理化所仿生材料与界面科学中心江雷院士、王京霞研究员团队在前期工作中制备得到了具有宽温域（-190℃~360℃）的聚合物稳定蓝相液晶 (Nat. Commun.2021, 12 (1), 3477.)；通过调节所制备的蓝相液晶带隙中心、染料有序度参数、谐振腔质量以及泵浦光能量，在染料掺杂蓝相液晶(C6-BPLCs)谐振腔中实现了可控的一至四模面发射激光（Adv. Mater.2022, 34 (9), 2108330.）；利用所制备的蓝相液晶为模板，制备得到了高分辨的多色彩蓝相液晶活图案(Adv. Funct. Mater.2022, 32 (15), 2110985.)；并通过调控蓝相液晶的聚合物含量，得到性能优良的蓝相液晶聚合物支架体系，将BPLCs激光温域扩展至25~230 ℃（Adv. Mater.2022, 34 (47), 2206580.）。
         近日，该研究团队通过合理的体系选择及设计，采用全聚合方法降低低温下液晶小分子的随机结晶及选择链柔性的液晶单体（RM105）和染料分子（DCM）来提高体系的相容性，成功实现了0℃以下宽的激光温域（-180~240 ℃）。研究表明，该全聚合物BPLCs由于好的体系相容性，展现出窄的激光线宽（0.0881 nm）和低的激光阈值（37 nJ/pulse）；同时，全聚合体系增加了样品的光热稳定性，包括足够的反射/荧光信号，合适的量子产率及荧光寿命，匹配的反射光谱和荧光光谱，稳定的BPLCs织构和高的分解温度，使得样品在-180~240 ℃中发射激光。此外，首次揭示了低温下（<0 ℃）BPLCs激光波长及阈值的变化规律，即红移的激光波长和随温度下降增加的激光阈值，使得样品在-180~240 ℃中激光波长红移，激光阈值呈“U”型。这些独特的激光行为与BP晶格随温度各向异性的形变（-180~0 ℃：沿(110)方向收缩的BPI晶格; 0~26.7 ℃：几乎不变的BPI晶格; 26.7~240 ℃：沿(110) 方向加速膨胀的BPI晶格）有关。这项工作不仅开启了低温BPLCs的大门，也对新颖有机光学器件的设计提供了重要见解。
        相关研究结果以Super-wide Temperature Lasers Spanning from -180 °C to 240 °Cbased onFully-polymerized Blue Phase Superstructures为题发表在Advanced Materials上。
         该文章通讯作者为中国科学院理化所王京霞研究员。中国科学院理化所博士生陈雨洁为第一作者。理化所李敬老师和金峰老师为相关蓝相液晶的激光表征提供帮助， 复旦大学物理学系石磊教授为相关蓝相液晶光子带隙的表征提供帮助，中国科学院理化所江雷院士为本研究提供了专业指导和帮助。
         该研究得到了国家自然科学基金项目和中国科学院荷兰研究项目的支持。
        原文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202308439
        文章来源：理化所
      江雷，中科院院士，中国科学院理化研究所研究员。自1999年回国以来，一直从事具有特殊浸润性的仿生多尺度界面材料的研究工作。撰写专著2部，发表SCI论文400余篇，其中IF > 6的186篇，被SCI引用18500余次，H因子为66，论文13次作为 Highlight 在 Science、Nature 及其系列杂志报道，30余次被选作杂志的封面。重要论文包括：Nature（2篇），Nat. Mater. (1篇)，Nat. Nanotechnol.（1篇），Nat. Comm. (1篇)，Chem. Soc. Rev. （4篇），Acc. Chem. Res.（3篇），Angew. Chem.（22篇），Adv. Mater.（54篇）, J. Am. Chem. Soc.（19篇），Adv. Func. Mater.（19篇），已授权专利50余项。
       王京霞，女，1971年6月生，工学博士。现为中科院理化技术研究所研究员。1990－1997 年在青岛科技大学高分子材料系攻读学士和硕士学位，1997－2000年在青岛帝科精细化学有限公司做科研工作；2000.9－2004.1 在清华大学高分子研究所攻读博士学位。2004年1月毕业于清华大学化工系高分子所，获材料学专业博士学位, 师从刘德山教授。博士论文题目：丙烯酸系自着色乳液的合成、共聚合反应和光色牢度研究。2004年2月－2006年7月在中国科学院化学研究所有机固体实验室功能界面组作博士后，合作导师为江雷研究员、宋延林研究员，期间发展了一种制备大面积聚合物光子晶体膜的简单快速的方法，实现了高强度、浸润性可调控光子晶体膜的制备。2006年7月，博士后出站并留在中科院化学所新材料实验室宋延林研究员课题组工作，2006年12月聘为副研究员。