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长期以来，人们一直致力于开发不同的方法来调节手性向列相液晶（CLC）的选择性反射带。识别易于调整手性向列相液晶（CLC）的节距，从而调整手性向列相液晶（CLC）的反射颜色，对于许多不同的光子学应用（包括光学滤波器、彩色显示器和无反光镜激光器）都很有意义。然而，精确控制螺旋节距可能具有挑战性。传统上，CLC器件通常由夹在玻璃基材之间的薄层液晶材料组成。然而，人们逐渐关注将液晶材料加工成独立式喷墨打印微滴，因为与传统的薄膜器件相比，它们具有更高的灵活性和可扩展性的潜力。

牛津大学工程科学系的Stephen M. Morris教授团队引入了一种创新方法，通过以按需喷墨（DOD）方式将非手性向列液晶液滴沉积到短节距CLC液滴中来调整其反射颜色。按需喷墨（DOD）打印所实现的量化喷墨允许NLC以微晶状液滴的形式进行精确的体积沉积，从而形成更长节距的液滴，随后反射延长波长的光。通过以这种方式数字控制节距，展示了基于CLC的综合颜色库的制作，这表明了一种在大波长范围内调整CLC液滴节距以反映不同颜色调色板的新方法。最后，研究团队通过空间调整形成三个字母特征的CLC液滴的反射颜色来证明这种技术的实际可行性。

▲ 图1 用NLC调节节距来打印彩色字母数字字符。

实验使用的喷墨打印系统为MicroFab的Jetlab II和MicroFab的定制喷墨打印系统，两套设备配合使用，并配备了喷口直径80μm的压电喷头（MJ-AT-01-80），使用MicroFab JetLab II制备了初始的短节距CLC液滴（图2中的步骤i ），从温度保持在70°C的80μm压电喷头喷射出30个液滴，并打印形成网格（10×15网格，液滴间距为500μm），基材上液滴最终直径为369μm。

▲ 图2 通过NLC的喷墨打印调整CLC节距的过程。

然后将打印的CLC样品转移到内部构建的MicroFab定制喷墨打印系统，该打印机配有相同的80μm压电喷头，由JetDrive驱动，如下所示如图3a所示。然后用注射器将NLC供应到分配器，用螺钉控制以确保喷嘴口液面状态。通过闭环加热器控制器确保喷头保持在70°C的恒定温度。

▲ 图3 打印系统和打印CLC/NLC阵列的例子。

图3b展示了固着的CLC液滴，其中一部分掺杂了NLC液滴。由于添加了NLC，底行呈现出颜色变化。补充打印的NLC液滴数量范围在0到29之间。在大多数液滴中观察到的蓝色反射表明未稀释的短节距CLC。值得注意的是，这些液滴没有被顶部基材封装，也没有受到任何热处理。很明显，与短节距CLC相比，NLC液滴的添加改变了液滴的反射颜色，从蓝色转变为绿色，最终转变为橙色。然而，仔细检查后发现液滴上存在颜色梯度，这可能是由于室温下混合不良造成的。图3b中的插图显示了未稀释的CLC墨水组合物的光子带隙/反射带，其液滴成分是CLC墨水。

▲ 图4 打印的NLC和CLC液滴的聚结。

图4a展示了喷墨的喷射动力学，显示了单个NLC液滴（空中直径69±3μm）到达、撞击和聚结为固着的CLC液滴（基材上直径369μm）过程。NLC在与CLC液滴撞击时迅速减速，其动量由于粘度而迅速消散。在最初的几毫秒之后，正如高速成像所显示的那样，NLC流体被限制在组合液滴内的一小部分内（参见图4a中的25ms和75ms帧）。500ms后，NLC流体在图4a的最后一张图像中几乎看不见，表明流体已反冲到组合液滴的顶部（侧视图），靠近撞击部位。特别是，内部界面几乎没有拉伸和折叠，可以通过减小扩散必须发生的长度尺度来提高混合效率。因此，NLC必须通过分子扩散与CLC在整个液滴的长度范围（L  ~300μm）上缓慢混合，而没有任何明显的平流贡献。这一观察结果与类似尺寸的喷墨打印液滴的文献一致，其中如果撞击液滴和固着的液滴具有相似的尺寸和特性，则平流不会显着提高混合效率。

▲ 图5 通过打印的NLC液滴进行调谐的蓝色-绿色-红色CLC液滴。

图5显示了液滴内部反射颜色的对准质量和外观结果。从顶部和底部基材观察时，螺旋状CLC结构域的排列显示不对称，如图5a所示，实验结果如图5b所示。光学显微镜图像表明，靠近底部衬底的手性结构接近理想的Grandjean纹理，而自上而下的纹理不太均匀，特别是在图像中心附近。此外，长节距的绿色和红色CLC液滴的独立液滴图像表明，NLC完全扩散，呈现绿色和红色的反射色调，与短节距（蓝色）CLC液滴一样（见图5c）。

▲ 图6 调整CLC节距。

为了实验测量不同节距液滴的反射光谱，如图6a中的光学显微镜图像所示，将 USB光谱仪连接到配备反射臂的奥林巴斯显微镜的光电管。实际上，由于光谱技术和液滴配置的限制，图6b中所示的测量反射光谱不是矩形的，而是近似高斯形状。为了找到它们的中点，需要使用高斯拟合。

▲ 图7 用NLC调节节距来打印彩色字母数字字符。

最后，研究团队通过演示如何使用该技术来创建彩色图形作为结论。图7展示了短节距CLC打印阵列的示例，通过将预定数量的NLC液滴打印到固着的CLC液滴中，将其“调整”为不同的颜色。通过精确控制NLC沉积，团队成功形成了如图所示的字母数字字符“SMP”。在图7b中，团队以S、M和P字符显示了所得液滴的相应反射光谱。在该研究中，考虑到基于打印的CLC器件的长期应用，还检查了打印的CLC液滴在较长时间内的光学纹理和反射颜色的稳定性。结果显示，随着时间的推移，光学纹理或反射颜色没有变化，表明稳定性很高。

通过使用MicroFab按需喷墨打印将皮升量级的NLC液滴沉积到短节距CLC液滴中，展示了一种调整打印CLC液滴节距的方法。结果表明，通过将打印的NLC液滴数量从0增加到29，CLC反射带的中心可以从λ∼430nm调整到λ>700nm。此外，研究测试了反射带隙对打印NLC液滴数量的依赖性，与理论带隙对打印液滴数量的依赖性进行了很好的比较。总而言之，展示了如何通过调整打印CLC液滴节距的方法来按需形成图像/图形，从而形成彩色徽标。未来，研究更广泛的液晶参数的按需混合将会很有趣，例如具有不同光学各向异性的材料（Δn）可用于进一步实现反射带隙宽度的变化以控制色纯度。