Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Jialei He von der Graduate School of Engineering der Universität Nagoya hat eine Methode zur Verarbeitung cholesterischer Flüssigkristalle (CLCs) zu mikrometergroßen kugelförmigen Partikeln entwickelt.
CLCs sind eine Art Flüssigkristall mit einer helikalen Struktur, die ihnen einzigartige optische Eigenschaften und die Fähigkeit verleiht, Licht selektiv zu reflektieren. Durch die Kombination sphärischer CLC-Partikel mit kommerziell erhältlichen Pigmenten entwickelten die Forscher einen einzigartigen fälschungssicheren QR-Code, der nur unter einem bestimmten Zirkularpolarisator angezeigt werden kann. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche optische Materialien.
CLCs sind ein Beispiel dafür, wie die Natur in der Technik genutzt werden kann. Wenn Sie jemals die schillernden Flügel von Schmetterlingen oder die glänzende Beschichtung auf den Exoskeletten von Käfern bemerkt haben, haben Sie gesehen, was CLCs leisten können. Sobald sie identifiziert sind, werden CLCs, die die Einheiten nachahmen, die die Farben der Exoskelette von Käfern erzeugen, aufgrund ihrer ungewöhnlichen Farben und Eigenschaften, die zwischen Flüssigkeiten und Kristallen liegen, im Labor synthetisiert.
Besonders nützlich sind die optischen Eigenschaften von CLCs. Aufgrund ihrer einzigartigen Molekülstruktur und optischen Eigenschaften, die zur selektiven Reflexion von Licht bei bestimmten Wellenlängen führen, weisen sie ungewöhnliche Farben auf. CLCs bestehen aus langen Molekülen, die sich helixförmig wiederholen. In der Helix wird der vertikale Abstand von der Stelle, an der sich ein Bereich umkreist und wiederholt, als „Steigung“ bezeichnet.
Wenn die Helix wiederkehrende Einheiten aufweist, die nahe beieinander liegen, hat der Flüssigkristall eine kurze Ganghöhe und reflektiert Licht kürzerer Wellenlängen, wodurch blaue und violette Farben entstehen. Allerdings haben solche mit einem größeren vertikalen Raum längere Wellenlängen, was zu roten oder orangefarbenen Farben führt.
Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Farbe je nach Ausrichtung des Betrachters zur Helix ändern kann, da die Moleküle, aus denen der Kristall besteht, helixförmig angeordnet sind. Daher sind je nach Betrachtungsweise des Flüssigkristalls unendlich viele Farben möglich.
Um CLCs effektiver zu nutzen, stellen Forscher kugelförmige CLC-Partikel her. Diese Partikel sind kugelförmig und umfassen die Helix in einer 3D-Matrix, sodass Wissenschaftler ihre Färbung besser kontrollieren können. Ein großes Problem ist jedoch die Größe. Aktuelle Methoden erzeugen kugelförmige CLC-Partikel mit einer Größe von 100 Mikrometern, was für die meisten Anwendungen zu groß ist.
Um dieses Problem anzugehen, verwendeten die Forscher Jialei He (he/him) und Yukikazu Takeoka (he/him) von der Universität Nagoya und ihre Kollegen eine Mischung aus Lösungsmitteln, um mithilfe einer Technik namens „ Dispersionspolymerisation.
Da die Proben bei Raumtemperatur entnommen wurden, war die Entdeckung der neuen Technik schwierig. „Die Probenprüfung war eine besonders herausfordernde Zeit, da die Proben bei Raumtemperatur weich sind, eine Eigenschaft, die CLCs innewohnt“, sagte Dr. He. „Daher war ein erheblicher Aufwand erforderlich, um eine geeignete Methode zu finden, um die Proben zu charakterisieren, ohne dass es zu Schäden kommt.“
Da die Ganghöhe des cholesterischen Flüssigkristalls sphärischer CLC-Partikel dieser Größe mit der Krümmung der Partikel variiert, machten die Forscher die Partikel kugelförmig mit einer gleichmäßigen Größenverteilung. Dies wird als monodisperse Kugel bezeichnet.
„Während des Experiments stellten wir unerwartet fest, dass die Partikelgröße der Mikrokügelchen die resultierende Strukturfarbe erheblich beeinflusste. Wir konnten je nach Partikelgröße eine Vielzahl von Farben erzeugen“, sagte Dr. He. „Wir fanden außerdem heraus, dass die Beschichtung der kugelförmigen CLC-Partikel mit dem Polymer Polydimethylsiloxan die Färbung und thermische Stabilität verbesserte.“
Eine mögliche Anwendung dieser Forschung ist die Erstellung sicherer QR-Codes, die nicht repliziert werden können. Sie könnten durch Ausnutzung einer Eigenschaft der CLCs namens Chiralität erzeugt werden. Chiralität bezeichnet die Eigenschaft eines Objekts oder Moleküls, dass es aufgrund einer Asymmetrie nicht in sein Spiegelbild überlagert werden kann.
CLCs sind chiral und haben optische Aktivität, sodass ein fälschungssicherer QR-Code durch die Kombination der Farbe sphärischer CLCs-Partikel mit kommerziell erhältlichen nicht-chiralen Pigmenten erstellt werden könnte. Der Code konnte nur gelesen werden, wenn ein spezieller Zirkularpolarisator verwendet wurde, der das nicht-chirale Licht, nicht aber das chirale Licht des QR-Codes durchlässt.
„Die aus dieser Forschung resultierende Entwicklung sphärischer CLC-Partikel wird neue Möglichkeiten für kostengünstige strukturelle Farbfunktionen bieten, die sich von denen herkömmlicher Farbmaterialien unterscheiden“, sagte Dr. Takeoka. „Neben der Verwendung als spezielles Funktionspigment zur Fälschungssicherheit kann es auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, die die Vorteile der zirkular polarisierten Strukturfarbe mit geringer Winkelabhängigkeit nutzen.“
Mehr Informationen:
Jialei He et al., Partikelgrößengesteuerte chirale Strukturfarbe monodisperser cholesterischer Flüssigkristallpartikel, Fortschrittliche optische Materialien (2023). DOI: 10.1002/adom.202300296