名古屋大学工程研究生院的 Jialei He 博士领导的研究小组开发了一种将胆甾型液晶(CLC)加工成微米级球形颗粒的方法。CLC 是一种具有螺旋结构的液晶，赋予其独特的光学特性和选择性反射光的能力。通过将球形 CLC 颗粒与市售颜料相结合，研究人员开发出了一种独特的防伪二维码，该二维码只能在特定的圆偏光镜下显示。研究结果发表在《先进光学材料》杂志上。
CLC 是如何在工程中利用自然的一个例子。如果您曾经注意到蝴蝶的虹彩翅膀或甲虫外骨骼上的光泽涂层，您就已经了解了 CLC 的作用。一旦鉴定出来，模仿甲虫外骨骼颜色生成单元的 CLC 就会在实验室中合成，因为它们具有介于液体和晶体之间的不寻常的颜色和特性。
特别有用的是 CLC 的光学特性。由于其独特的分子结构和光学特性，它们会显示出不寻常的颜色，从而导致特定波长的光选择性反射。CLC 由以螺旋形状重复的长分子组成。在螺旋中，距一个区域循环并重复自身的位置的垂直距离称为“螺距”。如果螺旋具有靠近的重复单元，则液晶的螺距较短并反射较短波长的光，发出蓝色和紫色。然而，那些具有较长垂直空间的波长较长，导致红色或橙色。
更复杂的是，由于构成晶体的分子呈螺旋状排列，因此颜色会根据观察者对螺旋的方向而变化。因此，根据液晶的观看方式，可以有无限多种颜色。
为了更有效地利用 CLC，研究人员制造了球形 CLC 颗粒。这些颗粒是球形的，并在 3D 矩阵中包含螺旋，以便科学家可以更好地控制它们的颜色。然而，一个主要问题是尺寸。目前的方法产生 100 微米的球形 CLC 颗粒，这对于大多数用途来说太大了。为了解决这个问题，名古屋大学的研究人员 Jialei He(他/他)和 Yukakazu Takeoka(他/他)及其同事使用溶剂混合物，使用一种名为“分散聚合。
由于样品是在室温下采集的，因此发现新技术很困难。“由于样品在室温下很柔软，这是 CLC 固有的特性，因此样品测试特别具有挑战性，”何博士说。“因此，需要付出相当大的努力来找到一种合适的方法来表征样品而不造成任何损害。”
由于这种尺寸的球形CLC颗粒的胆甾型液晶的节距随着颗粒曲率的变化而变化，因此研究人员将颗粒制成具有均匀尺寸分布的球形。这被称为单分散球体。“在实验过程中，我们意外地发现微球的粒径对最终的结构颜色有显着影响。我们可以根据颗粒大小产生多种颜色。”何博士说。“我们还发现，用聚合物聚二甲基硅氧烷覆盖球形 CLC 颗粒可以改善着色和热稳定性。”
这项研究的一个潜在应用是创建无法复制的更安全的二维码。它们可以通过利用 CLC 的手性特征来创建。手性是指物体或分子由于不对称而无法叠加到其镜像上的性质。CLC 具有手性且具有光学活性，因此可以通过将球形 CLC 颗粒的颜色与市售非手性颜料相结合来创建防伪二维码。只有当使用特定的圆偏振器时才能读取该代码，该圆偏振器允许非手性光通过但不允许QR码的手性光通过。
“这项研究带来的球形 CLC 颗粒的开发将为不同于传统颜色材料的低成本结构颜色功能提供新的可能性，”Takeoka 博士说。“除了用作防伪的特殊功能颜料外，它还可以用于利用圆偏振结构色且角度依赖性很小的其他应用。”
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