CN109097068B - 液晶混合物、宽波段光反射器件及其使用方法 - Google Patents

液晶混合物、宽波段光反射器件及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本公开至少一实施例提供一种液晶混合物、宽波段光反射器件及其使用方法，该液晶混合物包括：液晶分子、第一手性分子和第二手性分子，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为6～10:0.5～1.5:0.5～1.5，其中，所述第一手性分子的分子结构为：
Figure DDA0001741600270000011
所述第二手性分子的分子结构为
Figure DDA0001741600270000012
该液晶混合物拓宽了可反射光的波长范围。

Description

液晶混合物、宽波段光反射器件及其使用方法
技术领域
本公开的实施例涉及一种液晶混合物、宽波段光反射器件及其使用方法。
背景技术
液晶是由棒状分子、盘形分子等不具有球对称性的分子组成的部分有序的物质，它既不同于分子排列完全混乱的各向同性液体，也不同于分子排列完全有序的晶体，这种介于晶体与液体之间的分子排列以及分子本身特殊的形状与性质，导致液晶呈现出介于液体与晶体的特性。一方面，液晶具有流体的流动特性；另一方面，液晶又呈现出晶体固有的空间各向异性。根据分子排列的形式和有序性的不同，液晶可分为近晶相液晶、向列相液晶和胆甾相液晶。
胆甾相液晶是其分子本身中含有手性碳原子或在液晶中掺有手性分子，这类分子构成的液晶往往具有螺旋结构。从宏观上看，胆甾相液晶分子分层排列，层与层平行，在每一层中胆甾相液晶分子彼此倾向于平行排列。胆甾相液晶能够选择性反射圆偏振光，这是胆甾相液晶分子周期排列所产生的光学特性。胆甾相液晶的反射遵从布拉格定律：λ＝n*p(n为胆甾相液晶的平均折射率，p为胆甾相液晶的螺距)。当胆甾相液晶具有特定范围的螺距时，就会反射特定波长段的光从而呈现出不同的颜色。单一螺距的胆甾相液晶选择性反射入射光的波长范围介于λmin＝Pno和λmax＝Pne之间(no和ne分别为寻常光折射率和非寻常光折射率)；反射光谱带宽Δλ＝λmax-λmin＝(ne-no)P＝ΔnP。在反射光谱带宽内，右旋圆偏振光被右手螺旋结构的液晶分子所反射，而左旋圆偏振光被透过。
发明内容
本公开至少一实施例提供一种液晶混合物，该液晶混合物包括：液晶分子、第一手性分子和第二手性分子，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为6～10:0.5～1.5:0.5～1.5，其中，所述第一手性分子的分子结构为：
Figure BDA0001741600250000021
n与n’相同或不同，且为0、1、2、3、4或5，并且当n大于1时，每个R1可以相同或不同，当n’大于1时，每个R1’可以相同或不同；m与m’相同或不同，且为0、1、2、3或4，并且当m大于1时，每个R2可以相同或不同，当m’大于1时，每个R2’可以相同或不同；R1与R1’相同或不同；R2与R2’相同或不同；R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基、卤代C1-C6烷硫基、C3-C8环烷基和苯基，所述C3-C8环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基；
所述第二手性分子的分子结构为
Figure BDA0001741600250000022
M为F、Cl、Br或者I。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为7～9:0.8～1.2:0.8～1.2。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为8:1:1。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为7:0.9:1.1。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：F、Cl、硝基、氰基、C1-C4烷基、卤代C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、卤代C1-C4烷氧基、C1-C4烷硫基、卤代C1-C4烷硫基、C3-C6环烷基和苯基，所述C3-C6环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自F、Cl、硝基、氰基、C1-C4烷基、卤代C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、卤代C1-C4烷氧基、C1-C4烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，n与n’为1，m与m’为0或1，以及R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：-CH3、-CF3、-F、-NO2、-OCH3和苯基。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，(R1)n与(R1’)n’的选择以及(R2)m与(R2’)m’的选择应使得所述顺式构象的第一手性分子是对称化合物。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，所述第一手性分子与所述第二手性分子结合形成的有机物的分子结构为：
Figure BDA0001741600250000031
本公开至少一实施例还提供一种宽波段光反射器件，该宽波段光反射器件包括：第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的如上述任意一项所述的液晶混合物，所述第一基板上设置有反射面。
本公开至少一实施例还提供一种宽波段光反射器件的使用方法，包括：反式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子结合形成的配合物，使得所述宽波段光反射器件的反射带宽被调节到第一波长范围；使用360nm～370nm的紫外光照射所述液晶混合物，所述第一手性分子与所述第二手性分子分离，所述第一手性分子由反式构象变成顺式构象，所述顺式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子分开，且诱导所述向列相液晶分子取向变成胆甾相液晶分子，使得所述宽波段光反射器件的反射带宽被调节到第二波长范围；采用435nm～445nm的可见光照射所述宽波段光反射器件，上述步骤逆向进行，所述宽波段光反射器件由反射出所述第二波长范围的光转换为反射出所述第一波长范围内的光。
例如，在本公开至少一实施例提供的宽波段光反射器件的使用方法中，所述第一波长范围为622nm～2.5μm，其对应于红外光区和红光区，所述反式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子结合形成配合物时，所述宽波段光反射器件反射出红外光或者红光；所述第二波长范围为200nm～455nm，其对应于紫外光区、紫光区和蓝光区，所述顺式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子分开时，所述宽波段光反射器件反射出紫外光、紫光或者蓝光。
例如，在本公开至少一实施例提供的宽波段光反射器件的使用方法中，所述反式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子通过氢键结合形成所述配合物，所述液晶分子呈向列相。
例如，在本公开至少一实施例提供的宽波段光反射器件的使用方法中，所述顺式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子离散分散在所述液晶分子中，所述液晶分子呈胆甾相。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为一种示例性的呈胆甾相的液晶分子层的示意图；
图2为本公开一实施例提供的式(A)所示化合物的红外光谱图；
图3A为本公开一实施例提供的第一手性分子与第二手性分子结合形成的有机物在365nm光照条件下在不同曝光时间下的紫外和可见吸收光谱；
图3B为本公开一实施例提供的第一手性分子与第二手性分子结合形成的有机物在440nm的光照条件在不同曝光时间下的紫外和可见吸收光谱；
图4为本公开一实施例提供的第一手性分子和第二手性分子的浓度选择示意图；
图5为本公开一实施例提供的第一手性分子、第二手性分子、第一手性分子和第二手性分子的结合形成的核磁共振的图谱；
图6为本公开一实施例提供的第一手性分子和第二手性分子结合前后分别在365nm和440nm光照条件下在不同曝光时间下的紫外和可见吸收光谱图；
图7为本公开一实施例提供的一种宽波段光反射器件的截面结构示意图；以及
图8为本公开一实施例提供的一种第一手性分子和第二手性分子调节宽波段光反射器件的反射带宽的示意图。
附图标记：
1-第一基板；2-第二基板；3-液晶混合物；4-反射面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
通过在液晶分子中添加手性添加剂使得液晶分子的取向发生扭转，形成具有一定螺距的呈胆甾相的液晶分子。呈胆甾相的液晶分子可以反射某一波长范围内的光波，该反射波长范围与液晶分子的螺距相关，即通过改变液晶分子的螺距可以改变液晶分子的反射波长范围。通过改变手性添加剂在液晶混合物中的浓度，可以改变液晶分子的螺距(例如，手性添加剂在液晶混合物中的浓度越大，液晶分子的扭曲越容易)，因此，通过调整手性添加剂在液晶混合物的浓度，可以调整被反射的光波的波长范围。
胆甾相是液晶分子的一种重要相态，例如，图1示例性地为一种呈胆甾相的液晶分子层的示意图，如图1所示，在胆甾相液晶内，液晶分子呈层状排布，并具有连续的螺旋结构，呈胆甾相的液晶分子可以选择性地反射入射光(类似晶体的布拉格反射(Braggreflection))，例如，胆甾相液晶分子反射与其旋向相同的圆偏振光而使与其旋向相反的圆偏振光通过，所通过的圆偏振光再经过四分之一波片后成为线偏振光。四分之一波片为一定厚度的双折射单晶薄片，当光法向入射透过时，寻常光(o光)和非寻常光(e光)之间的位相差为π/2或π/2的奇数倍。
呈胆甾相的液晶分子可以为左旋向液晶分子或者右旋向液晶分子。以左旋向液晶分子为例，在平面织构状态下，不同平面内的液晶分子分别平行排列于各自的平面内，但相邻平面中的液晶分子的取向方向发生变化并沿平面的法线方向作螺旋状变动。如图1所示，液晶分子的螺距为液晶分子的取向方向经历360°变化时的距离。当入射光入射到左旋向液晶分子时，左旋向液晶分子将部分入射光进行布拉格反射，而另一部分入射光将透过液晶分子，其中，被反射的光为某一波长或波长范围内的左旋圆偏振光，该波长范围可以被称为反射波长范围；而透射光为右旋圆偏振光或非反射波长范围内的左旋圆偏振光。又例如，当呈胆甾相的液晶分子为右旋向液晶分子时，右旋向液晶分子将部分入射光进行布拉格反射，而另一部分入射光将透过液晶分子，其中，被反射的光为某一波长范围内的右旋圆偏振光；而透射光为左旋圆偏振光或非反射波长范围内的右旋圆偏振光。因此，呈胆甾相的液晶分子可以实现选择性反射。例如，手性添加剂均匀混合于呈胆甾相的液晶分子之间。
本公开的发明人在液晶混合物的方面进行了广泛而深入的研究，并开发出了一种新的具有光照响应性、手性大小可调的光敏手性分子，从而可以通过光照波长的变化使其在液晶中的扭曲力常数发生改变，进而调节胆甾相液晶器件的反射带宽。然而，一种光敏手性分子的手性大小的调节能力十分有限，本公开的发明人进一步注意到，可以使光敏手性分子形成超分子，来进一步调节光敏手性分子的手性大小，从而进一步地加大了胆甾相液晶器件的反射带宽，这样可以调节该液晶混合物的液晶器件在红外光到紫外光之间的任意两个波长的光之间进行转化，例如，可以从红光变化成蓝光、从红光变化成紫外光、或者从红外光变化成紫外光。
需要说明的是，超分子指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用力结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。以分子间作用力结合的两种或者两种以上的分子具有特定的功能。
本公开的实施例在向列相液晶中添加两种类型且相结合的手性分子，通过光照使得相结合的手性分子分离使得向列相液晶转变成胆甾相液晶。在初始状态下，这两种手性分子相结合，通过光照使得相结合的两种手性分子分开，且两种手性分子的构象和螺旋扭曲力常数也发生改变，从而改变了向列相液晶的分子排布，形成胆甾相液晶，进而拓宽了可反射光的波长范围。
本公开至少一实施例提供一种液晶混合物，该液晶混合物包括：液晶分子、第一手性分子和第二手性分子，液晶分子、第一手性分子和第二手性分子的摩尔比为6～10:0.5～1.5:0.5～1.5，其中，第一手性分子的分子结构为：
Figure BDA0001741600250000071
n与n’相同或不同，且为0、1、2、3、4或5，并且当n大于1时，每个R1可以相同或不同，当n’大于1时，每个R1’可以相同或不同；m与m’相同或不同，且为0、1、2、3或4，并且当m大于1时，每个R2可以相同或不同，当m’大于1时，每个R2’可以相同或不同；R1与R1’相同或不同；R2与R2’相同或不同；R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基、卤代C1-C6烷硫基、C3-C8环烷基和苯基，所述C3-C8环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基；
第二手性分子的分子结构为
Figure BDA0001741600250000072
M为F、Cl、Br或者I。
例如，卤素包括F、Cl、Br和I或其组合；C1-C6烷基表示总共含有1-6个碳原子的烷基；卤代C1-C6烷基表示被卤素部分或者全部取代的C1-C6烷基；C1-C6烷氧基表示与C1-C6烷基连接的氧基；卤代C1-C6烷氧基表示与卤代C1-C6烷基连接的氧基；C1-C6烷硫基表示与C1-C6烷基连接的硫基；卤代C1-C6烷硫基表示与卤代C1-C6烷基连接的硫基；C3-C8环烷基表示含有3-8个环碳原子的环状烷基。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：F、Cl、硝基、氰基、C1-C4烷基、卤代C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、卤代C1-C4烷氧基、C1-C4烷硫基、卤代C1-C4烷硫基、C3-C6环烷基和苯基，所述C3-C6环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自F、Cl、硝基、氰基、C1-C4烷基、卤代C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、卤代C1-C4烷氧基、C1-C4烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，n与n’为1，m与m’为0或1，以及R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：-CH3、-CF3、-F、-NO2、-OCH3和苯基。
例如，在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，(R1)n与(R1’)n’的选择以及(R2)m与(R2’)m’的选择应使得顺式构象的第一手性分子是对称化合物。在对称化合物中，选择一定浓度配比的第一手性分子和第二手性分子时，可以通过光照的时间更好地预测反射光的颜色的变化。
例如，在(R1)n、(R1’)n’、(R2)m与(R2’)m’均为-CH3，且第一手性分子和第二手性分子的摩尔比为1:1时，形成的第一手性分子是对称化合物时，可以精准的控制360nm的紫外光照射的时间为第0～10s时，反射光的颜色由红外光变成红光；在365nm的紫外光照射的时间为第10s～40s时，反射光的颜色由红光变化成黄光；在365nm的紫外光照射的时间为第40s～50s时，反射光的颜色由黄光变化成绿光；在365nm的紫外光照射的时间为第50s～65s时，反射光的颜色由绿光变化成蓝光；在365nm的紫外光照射的时间为第65s～80s时，反射光的颜色由蓝光变化成紫光；在365nm的紫外光照射的时间为第80s～100s时，反射光的颜色由紫光变化成紫外光。对于采用440nm的可见光照射发生可逆反应时也可以精准地控制反射光颜色的变化。
需要说明的是，N＝N双键的存在使得第一手性分子存在顺反构象，
Figure BDA0001741600250000091
为顺式构象异构体；
第一手性分子的反式构象为：
Figure BDA0001741600250000092
例如，第一手性分子与第二手性分子结合时表现为顺式构象异构体，这样第一手性分子的螺旋扭曲力常数较小，易于与第二手性分子结合。
例如，式(Ι)所示的反式构象在紫外光辐照下可以转变为式(Ι’)所示的顺式构象，而式(Ι’)所示的顺式构象在可见光辐照下又可以转变为式(Ι)所示的反式构象，而且二者的转变是可逆的，可用下式(1)表示：
Figure BDA0001741600250000093
例如，与两个手性碳原子分别直接连接的两个苯环上各自可以不含取代基，也可以含有1、2、3、4或5个相同或不同的取代基。当苯环各自含有超过1个取代基时，这些取代基之间可以是相同的，或者不同的。即，当n大于1时，每个R1可以相同或不同；当n’大于1时，每个R1’可以相同或不同。R1和R1’基团彼此之间可以是相同的也可以是不同的，并选自下组：卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基、卤代C1-C6烷硫基、C3-C8环烷基和苯基，C3-C8环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基。
例如，与偶氮原子分别直接连接的两个苯环上各自可以不含取代基，也可含有1、2、3或4个相同或不同的取代基。当苯环各自含有超过1个取代基时，这些取代基之间可以是相同的，或者不同的。即，当m大于1时，每个R2可以相同或不同；当m’大于1时，每个R2’可以相同或不同。R2和R2’基团彼此之间可以是相同的也可以是不同的，并选自下组：卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基、卤代C1-C6烷硫基、C3-C8环烷基和苯基，C3-C8环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基。
例如，n与n’为l，m与m’为0或1，以及R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组:-CH3、-CF3、-F、-NO2、-OCH3和苯基。
例如，在本公开的实施例中，制备上述式(Ι)所示化合物的方法，包括使式(II)所示的化合物与式(III)和(I11’)所示的化合物进行醇酸酯化反应，或者使式(II)所示的化合物与式(IV)和(IV’)所示的化合物进行醇酰卤酯化反应：
Figure BDA0001741600250000101
Figure BDA0001741600250000111
例如，上述(II)-(IV’)所示的分子结构中，R1、R1’、R2、R2’、n、n’、m和m’和式(Ι)所示化合物相对应，X和X’各自独立地为卤素，例如为氯或溴。
例如，式(II)所示的化合物为羟基化合物，式(III)和(III’)所示的化合物为羧酸化合物，二者通过醇酸酯化反应，即醇与酸的酯化反应，即可获得式(I)化合物。本领域的技术人员可以理解的是：当要制备的(Ι)所示的化合物中(R1)n和(R1’)n’完全相同(包括取代基的位置)时，式(III)和(III’)所示的化合物完全相同；当要制备的式(Ι)所示的化合物中(R1)n和(R1’)n’不完全相同(包括取代基的位置)时，式(III)和(III’)所示的化合物不相同。
例如，式(II)所示的化合物与式(III)和(III’)化合物的反应为常规的醇酸酯化反应，对于反应条件的选择没有特别的限制，只要反应之后能得到式(Ι)所示的化合物即可。通常而言，该反应在醇酸酯化催化剂存在的条件下在有机溶剂中即可进行。作为有机溶剂，没有特别的限制，只要能发生所需的醇酸酯化反应即可。作为溶剂的实例，可以是四氢呋喃和/或氯仿等。作为醇酸酯化催化剂，没有特别的限制，只要能发生所需的醇酸酯化反应即可。作为醇酸酯化催化剂的实例，可以是浓硫酸。例如，该醇酸酯化反应可以在惰性气氛下进行。作为惰性气氛，没有特别的限制，只要该气体不参与醇酸酯化反应即可。作为惰性气氛的实例，可以是氮气、氩气、氦气或氖气等。
例如，在该醇酸酯化反应中，相对于式(II)所示的化合物，式(III)和(III’)所示的化合物的总量通常是过量的。通常而言，式(III)和(III’)所示的化合物的总量与式(II)所示的化合物的摩尔比可以为2:1～5:1，例如，2.8:1～4.5:1，例如3.5:1。式(III)所示的化合物与式(III’)所示的化合物的摩尔比为0.6:1-1:1.5，例如，以1.2:1-1:1.2的摩尔比使用；例如，以1.1:1～1:1.1的摩尔比使用。醇酸酯化反应的温度没有特别的限制，只要能发生醇酸酯化反应得到式(I)所示的化合物即可。例如，醇酸酯化反应在-10℃至55℃的温度下进行，例如，在30℃至55℃加热回流下进行。醇酸酯化反应的压力没有特别的限制，通常在常压下进行。醇酸酯化反应的时间通常为10～15小时，例如，12～13小时。需要说明的是，醇酸酯化反应在搅拌条件下进行，醇酸酯化反应完成之后，对所得反应产物的混合物进行后处理，以分离出式(Ι)所示的化合物。通常而言，需要对反应产物的混合物进行提纯，例如，萃取，然后洗涤，随后干燥，即可获得式(Ι)所示的化合物。
例如，式(IV)和(IV’)所示的化合物为酰卤化合物，式(II)所示的化合物与式(IV)和(IV’)所示的化合物通过醇酰卤酯化反应，即醇与酰卤的酯化反应，即可获得式(Ι)所示的化合物。本领域的技术人员可以理解，当要制备的(Ι)所示的化合物中(R1)n和(R1’)n’完全相同(包括取代基的位置)时，式(IV)和(IV’)所示的化合物完全相同；当要制备的式(Ι)所示的化合物中(R1)n和(R1’)n’不完全相同(包括取代基的位置)时，式(IV)和(IV’)所示的化合物不相同。
例如，式(II)所示的化合物与式(IV)和(IV’)所示的化合物的反应为常规的醇酰卤酯化反应，对于反应条件的选择没有特别的限制，只要反应之后能得到式(I)所示的化合物即可。通常而言，该反应在惰性气氛下在有机溶剂中进行。对于所采用的有机溶剂没有特别的限制，只要能发生所需的醇酰卤酯化反应即可。作为溶剂的实例，可以是四氢呋喃、氯仿。作为惰性气氛也没有特别的限制，只要该气体不参与醇酰卤酯化反应即可。作为惰性气氛的实例，可以是氮气、氩气、氦气、氖气等。
例如，在该醇酰卤酯化反应中，相对于式(II)所示的化合物，式(IV)和(IV’)所示的化合物的总量通常是过量的。通常而言，式(IV)和(IV’)所示的化合物的总量与式(II)所示的化合物的摩尔比通常为4:1～4.5:1，例如，4.2:1～4.3:1，例如，4.2:1。式(IV)所示的化合物与式(IV’)所示的化合物的摩尔比为0.6:1～1:1.5，例如，以1.2:1～1:1.2的摩尔比使用；例如，以1.1:1～1:1.1的摩尔比使用。例如，对醇酰卤酯化反应的温度没有特别的限制，只要能发生醇酰卤酯化反应得到式(I)所示的化合物即可。例如，醇酰卤酯化反应在25℃～60℃的温度下进行，例如，在30℃～50℃的温度下加热回流下进行。醇酸酯化反应的压力没有特别的限制，通常在常压下进行。醇酸酯化反应的时间通常为10～15小时，例如，12～14小时。例如，醇酰卤酯化反应在搅拌条件下进行。醇酰卤酯化反应完成之后，对所得反应产物混合物进行后处理，以分离出式(I)所示的化合物。通常而言，需要对反应产物混合物进行提纯，例如，洗涤，蒸馏，随后干燥，即可获得式(I)所示的化合物。
例如，在本公开的一个实施例中，式(IV)和(IV’)代表的酰基卤化物通过分别将式(III)和(III’)代表的羧酸化合物用卤化试剂进行卤化反应制备而成。例如，作为该卤化反应使用的卤化试剂，可以采用常规的能够将羧酸转变为酰卤的卤化试剂，例如，二氯亚砜、次氯酸叔丁酯等。例如，卤化反应通常在惰性气氛下在有机溶剂中进行，作为有机溶剂，没有特别的限制，只要能发生所需的卤化反应即可。例如，该溶剂可以为四氢呋喃、氯仿等。例如，惰性气体没有特别的限制，只要该惰性气体不参与卤化反应即可。例如，该惰性气体可以为氮气、氩气、氦气、氖气等。通常，卤化式(III)或(III’)所示的化合物使用的卤化试剂相对于式(III)所示的化合物或(III’)所示的化合物是过量的，卤化试剂与式(III)或(III’)所示的化合物的摩尔比为3:1～3.8:1，例如，为3.2:1～3.5:1。卤化反应的温度没有特别的限制，只要能发生卤化反应得到式(IV)或(IV’)所示的化合物即可。例如，卤化反应在-10℃至55℃下进行即可，比如，在冰浴下进行。卤化反应的时间通常为8～12小时，例如，为9～11小时。
例如，卤化反应完成之后，对所得反应产物的混合物进行后处理，以分离出式(IV)或(IV’)所示的化合物。例如，需要对反应产物的混合物进行提纯，例如，蒸馏，萃取，然后再蒸馏，随后干燥，即可获得式(IV)或(IV’)所示的化合物。
例如，在本公开的实施例中，式(I)所示的化合物中偶氮双键的存在使得该化合物存在顺反构象。式(I)所示的化合物可由光照波长和强度来控制分子的构象，这两种顺反异构体会发生可逆的转变，即由顺式构象转变为反式构象，或者由反式构象转变为顺式构象，其中，由光照的波长控制式(I)所示的化合物构象的改变，而光照强度控制改变速率。式(I)所示的化合物存在的两种构象异构体的极性和分子手性的大小不同，可以可逆地调节反射光线的颜色，使得在液晶中添加第一手性分子(式(I)或(I’)所示的化合物)和第二手性分子得到的液晶混合物在外界光照射的条件下会产生不同的反射光，从而使得液晶器件实现光致变色。
例如，式(V)所示的第二手性分子与式(I)所示的第一手性分子相结合形成在向列相液晶之中，通过式(V)所示的第二手性分子来调节液晶中手性分子整体的螺距，来使得液晶中手性分子整体的螺距小于单独的式(I)所示的第一手性分子的螺距。上述在经过365nm的紫外光照射足够长的时间后，式(V)所示的第二手性分子与式(I)所示的第一手性分子完全分离，且式(I)所示的反式构象的第一手性分子变成式(I’)所示的顺式构象的第一手性分子，从而使得形成的液晶混合物在初始状态被365nm的紫外光照射时反射出紫外光，在经过365nm的紫外光照射足够长的时间的过程中，反射出的光线的颜色逐渐变化，依次从红外光变化为红光、橙光、黄光、绿光、青光、蓝光、紫光和紫外光，从而使得反射光的带宽变大。
例如，采用功率为20～25W的紫外灯管形成365nm的紫外光。
式(V)所示的第二手性分子与式(I)所示的第一手性分子完全分离后，采用440nm的可见光照射该液晶混合物。上述在经过440nm的可见光照射足够长的时间后，式(V)所示的第二手性分子与式(I)所示的第一手性分子相结合，从而使得形成的液晶混合物在初始状态被440nm的可见光照射时反射出紫外光，在经过440nm的可见光照射足够长的时间的过程中，式(V)所示的第二手性分子与式(I’)所示的顺式构象的第一手性分子结合，且式(I’)所示的顺式构象的第一手性分子变成式(I)所示的反式构象第一手性分子，反射出的光线的颜色逐渐变化，依次从紫外光变化为紫光、蓝光、青光、绿光、黄光、橙光、红光和红外光，从而使得反射光的带宽变大。
例如，采用功率为20～25W的发蓝色光的灯管形成440nm的蓝光。
例如，第一手性分子与第二手性分子结合形成的有机物的分子结构为：
Figure BDA0001741600250000141
其中，式(V)所示的第二手性分子与式(I)所示的反式构象的第一手性分子相结合的过程为式(V)所示的第二手性分子中的铵根中的三个氢原子分别与第一手性分子中的两个偶氮和氧原子相结合形成氢键，以改变液晶混合物中手性分子的螺距。
例如，当第二手性分子中的M为Cl原子时，第一手性分子与第二手性分子结合形成的有机物的分子结构为：
Figure BDA0001741600250000151
例如，在一个示例中，第二手性分子与第一手性分子结合和分离的过程如下方程式表示。
Figure BDA0001741600250000152
例如，胆甾相液晶的螺距调节实验：在0.1g向列相液晶E7中加入0.001g的式(I)所示的第一手性分子和0.001g式(V)所示的第二手性分子，加热至清亮点后在暗室条件下保温1小时，之后注入a＝0.01°的楔形液晶盒子中，用偏光显微镜测量用365nm的光照射100秒后的螺距，然后测量换用440nm的可见光照射300秒后的螺距。
例如，以n和n’均为l，m和m’均为0，R1和R1’均为4-苯基为例加以说明，合成第一手性分子的过程如下：
将摩尔比为1:3.8的(S)-3-甲基-3-(4-苯基)苯基丙酸和二氯亚砜混合，在氮气保护下、在60ml的四氢呋喃中冰浴搅拌10h，然后在常温下减压蒸馏出溶剂后用二氯甲烷溶解，采用质量百分含量为10％的盐酸水溶液萃取三次，每次使用30ml的盐酸水溶液，然后再采用质量百分含量为10％的氢氧化钠水溶液萃取三次，每次使用30ml氢氧化钠水溶液，之后加入5g硫酸镁进行干燥，然后滤出硫酸镁，常温下减压蒸馏出二氯甲烷后得到中间体，该中间体为下式的3-甲基-3-(4-苯基)苯基丙酰氯，并在25℃下用旋光度测试仪测定其比旋光度为-21.5°。
Figure BDA0001741600250000161
将所得3-甲基-3-(4-苯基)苯基丙酰氯和邻二羟基偶氮苯以摩尔比为4.2:1溶解在60ml四氢呋喃中，在氮气保护下加热至55℃并在该温度下回流13h。然后，将所得反应产物用质量比为4:1的石油醚:乙酸乙酯的的混合物作为洗脱剂进行洗涤，然后在常温下减压蒸馏出溶剂，并干燥得到产物，并在25℃下用旋光度测试仪测定其比旋光度为-10.8°，然后对所得产物进行红外光谱测试，经红外光谱仪测试其为下式(A)所示的第一手性分子，例如，图2为式(A)所示化合物的红外光谱图。
Figure BDA0001741600250000162
例如，图3A为本公开一实施例提供的第一手性分子与第二手性分子结合形成的有机物在365nm光照条件下在不同曝光时间下的紫外和可见吸收光谱；图3B为本公开一实施例提供的第一手性分子与第二手性分子结合形成的有机物在440nm的光照条件在不同曝光时间下的紫外和可见吸收光谱。测定顺反结构改变的实验过程为：将式(I)所示的化合物配成浓度为2×10-5mol/L的四氢呋喃溶液，加热处理8h，然后用365nm的紫外光进行照射，如图3A所示，测定不同曝光时间下溶液的紫外和可见吸收光谱，直至光谱不再发生变化，设定的曝光时间分别为0s、12s、28s、40s、52s、64s、100s、150s和300s，通过测试发现，随着365nm的紫外光的照射时间增加，在336nm周围的吸收值逐渐增加，在其周围曲线逐渐抬高，而在440nm周围的吸收值逐渐降低，其周边曲线逐渐降低，因此，式(A)所示的第一手性分子在365nm紫外光的照射下随着时间的推移，在336nm处的吸收值逐渐增大，同时在440nm处的吸收值逐渐降低，这证明了式(A)所示的第一手性分子在紫外光照的作用下分子的构象发生了变化，且紫外曝光的时间持续到100s时光谱保持稳定，即紫外曝光的时长持续为100s时，即可完成反式构象的第一手性分子转变成顺式构象的第一手性分子。然后，用440nm的可见光照射，如图3B所示，测定不同曝光时间下溶液的紫外和可见吸收光谱，直至光谱不再发生变化，设定的曝光时间分别为0s、12s、28s、40s、52s、64s、100s、150s和300s，通过测试发现，在紫外曝光的时间持续到100s时光谱保持稳定，即紫外曝光的时长持续为100s时，即可完成由顺式构象的第一手性分子转变成反式构象的第一手性分子。
需要说明的是，由于第二手性分子中没有苯环，其对紫外光的吸收能力很弱，几乎可以忽略，因此在对顺反结构的改变进行测试时，测定的紫外可见光谱主要是针对于第一手性分子的。
例如，图4为本公开一实施例提供的第一手性分子和第二手性分子的浓度选择示意图。如图4所示，将浓度为1×10-3mol/L的四氢呋喃溶液作为第一手性分子的溶剂，并用10ml的容量瓶配成2×10-5mol/L的第一溶液；将浓度为1×10-2mol/L的甲醇溶液作为第二手性分子的溶剂，并用10ml的容量瓶配成1×10-4mol/L的第二溶液。分别在365nm的紫外光照条件下和440nm的可见光照条件下将第二溶液由少到多逐步滴加滴定第一溶液，直至吸光度变化较小，以确定第一手性分子和第二手性分子的结合比，根据UV-Vis数据做Job-plot图，确定第一手性分子和第二手性分子的结合比。
如图4所示，横坐标为第一手性分子与第一手性分子和第二手性分子之和的摩尔比，当第一手性分子与第一手性分子和第二手性分子之和的摩尔比为0.5时，吸光度最强，基于此可以将第一手性分子和第二手性分子的摩尔比设定在1左右最佳。
例如，该液晶分子、第一手性分子和第二手性分子的摩尔比为7～9:0.8～1.2:0.8～1.2。
例如，该液晶分子、第一手性分子和第二手性分子的摩尔比为7.8～8：0.9～1:0.9～1.1。
例如，该液晶分子、第一手性分子和第二手性分子的摩尔比为8:1:1。
例如，该液晶分子、第一手性分子和第二手性分子的摩尔比为7:0.9:1.1。
图5为本公开一实施例提供的第一手性分子、第二手性分子、第一手性分子和第二手性分子的结合形成的核磁共振的图谱，如图5所示，采用氘代甲醇作为溶剂，在频率为400MHz和温度为22℃的条件下测试核磁共振图谱，在图5中，a)表示第一手性分子单独存在的核磁共振图谱；b)表示第一手性分子和第二手性分子结合后的核磁共振图谱；c)表示第二手性分子单独存在的核磁共振图谱。根据图5可知，第一手性分子和第二手性分子结合后，不仅在第一手性分子和第二手性分子单独存在时出峰的位置出峰，在6.5ppm～7.0ppm之间和7.8ppm～8.0ppm之间还出现了新的峰，其原因是，第二手性分子L丙氨酸乙酯盐酸盐的氨基上的三个H原子都具有酸性，这些活泼的H原子都有与氧原子或者氮原子结合形成氢键的趋势，反式构象的第一手性分子更易与第二手性分子结合。
图6为本公开一实施例提供的第一手性分子和第二手性分子结合前后分别在365nm和440nm光照条件下在不同曝光时间下的紫外和可见吸收光谱图。如图6所示，在365nm和440nm的光照条件下紫外可见吸收光谱发生了很明显的变化，进一步地说明了第一手性分子在与第二手性分子结合的前后其分子构象发生了改变。
本公开至少一实施例还提供了一种宽波段光反射器件，例如，图7为本公开一实施例提供的一种宽波段光反射器件的截面结构示意图。如图7所示，该宽波段光反射器件包括：第一基板1、第二基板2以及位于第一基板1和第二基板2之间的如上述任意一项所述的液晶混合物3，第一基板1上设置有反射面4。
例如，图8为本公开一实施例提供的一种第一手性分子和第二手性分子调节宽波段光反射器件的反射带宽的示意图。如图8所示，将本公开任一实施例中的第一手性分子和第二手性分子与向列相液晶分子混合，然后注入反平行液晶盒(即PI摩擦取向互相平行的液晶盒)中，反式构象的第一手性分子与第二手性分子结合降低了向列相液晶中整体的手性，同时反式构象的第一手性分子与第二手性分子结合还可以诱导向列相液晶分子取向形成胆甾相液晶，充分黑暗处理后，器件的反射带宽被调节到红外光区，当白光入射到宽波段光反射器件上时，反射波长在1mm～760nm之间，器件反射出红外光。然后，使用360nm～370nm紫外光照射此胆甾相宽波段光反射器件，例如，采用功率为20～25W的紫外灯管形成365nm的紫外光，随着时间的推移，顺式构象的第一手性分子的含量增大，此时胆甾相液晶的螺距P增大，反射带宽蓝移，反射波长在200nm～380nm，器件反射出紫外光。之后，再换用435nm～445nm的可见光照射该器件，例如，采用功率为20～25W的发蓝色光的灯管形成440nm的蓝光，该过程可逆且迅速。因此，第一手性分子和第二手性分子的结合和分离可用于光响应改变液晶的螺距，从而可用于调节该光反射器件的反射带宽。
本公开至少一实施例还提供一种宽波段光反射器件的使用方法，包括：第一手性分子与第二手性分子结合形成的配合物，使得宽波段光反射器件的反射带宽被调节到第一波长范围；使用365nm的紫外光照射所述液晶混合物，第一手性分子与第二手性分子分离，第一手性分子由反式构象变成顺式构象，顺式构象的第一手性分子与第二手性分子分开，且诱导向列相液晶分子取向变成胆甾相液晶分子，使得宽波段光反射器件的反射带宽被调节到第二波长范围；采用440nm的可见光照射宽波段光反射器件，上述步骤逆向进行，宽波段光反射器件由反射出第二波长范围的光转换为反射出第一波长范围内的光。
例如，在本公开至少一实施例提供的宽波段光反射器件的使用方法中，第一波长范围为622nm～2.5μm，其对应于红外光区和红光区，反式构象的第一手性分子与第二手性分子结合形成配合物时，宽波段光反射器件反射出红外光或者红光；第二波长范围为200nm～455nm，其对应于紫外光区、紫光区和蓝光区，顺式构象的第一手性分子与所述第二手性分子分开时，宽波段光反射器件反射出紫外光、紫光或者蓝光。
例如，在本公开至少一实施例提供的宽波段光反射器件的使用方法中，反式构象的第一手性分子与第二手性分子通过氢键结合形成配合物，液晶分子呈向列相。
例如，在本公开至少一实施例提供的宽波段光反射器件的使用方法中，顺式构象的所述第一手性分子与第二手性分子离散分散在液晶分子中，液晶分子呈胆甾相。
本公开的实施例提供一种液晶混合物、宽波段光反射器件及其使用方法具有以下至少一项有益效果：
(1)在本公开至少一实施例提供的液晶混合物中，在向列相液晶中添加两种类型且相结合的手性分子，通过光照使得相结合的手性分子分离使得向列相液晶转变成胆甾相液晶。
(2)本公开至少一实施例提供的液晶混合物，在初始状态下，两种手性分子相结合，通过光照使得相结合的两种手性分子分开，且两种手性分子的构象和螺旋扭曲力常数也发生改变，从而改变了向列相液晶的分子排布，形成胆甾相液晶，进而拓宽了可反射光的波长范围。
有以下几点需要说明：
(1)本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
(3)在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种液晶混合物，包括：液晶分子、第一手性分子和第二手性分子，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为6～10:0.5～1.5:0.5～1.5，
其中，所述第一手性分子的分子结构为：
Figure FDA0002428960140000011
n与n’相同或不同，且为0、1、2、3、4或5，并且当n大于1时，每个R1可以相同或不同，当n’大于1时，每个R1’可以相同或不同；m与m’相同或不同，且为0、1、2、3或4，并且当m大于1时，每个R2可以相同或不同，当m’大于1时，每个R2’可以相同或不同；R1与R1’相同或不同；R2与R2’相同或不同；
R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基、卤代C1-C6烷硫基、C3-C8环烷基和苯基，所述C3-C8环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自卤素、硝基、氰基、C1-C6烷基、卤代C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、卤代C1-C6烷氧基、C1-C6烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基；
所述第二手性分子的分子结构为
Figure FDA0002428960140000012
M为F、Cl、Br或者I。
2.根据权利要求1所述的液晶混合物，其中，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为7～9:0.8～1.2:0.8～1.2。
3.根据权利要求2所述的液晶混合物，其中，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为8:1:1。
4.根据权利要求2所述的液晶混合物，其中，所述液晶分子、所述第一手性分子和所述第二手性分子的摩尔比为7:0.9:1.1。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的液晶混合物，其中，R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：
F、Cl、硝基、氰基、C1-C4烷基、卤代C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、卤代C1-C4烷氧基、C1-C4烷硫基、卤代C1-C4烷硫基、C3-C6环烷基和苯基，所述C3-C6环烷基和苯基还可以含有一个或多个选自F、Cl、硝基、氰基、C1-C4烷基、卤代C1-C4烷基、C1-C4烷氧基、卤代C1-C4烷氧基、C1-C4烷硫基和卤代C1-C6烷硫基的取代基。
6.根据权利要求5所述的液晶混合物，其中，n与n’为1，m与m’为0或1，以及R1、R1’、R2和R2’彼此独立地选自下组：-CH3、-CF3、-F、-NO2、-OCH3和苯基。
7.根据权利要求6所述的液晶混合物，其中，(R1)n与(R1’)n’的选择以及(R2)m与(R2’)m’的选择应使得所述第一手性分子在顺式构象时是对称化合物。
8.根据权利要求7所述的液晶混合物，其中，所述第一手性分子与所述第二手性分子结合形成的有机物的分子结构为：
Figure FDA0002428960140000021
9.一种宽波段光反射器件，包括：第一基板、第二基板以及位于所述第一基板和所述第二基板之间的如权利要求1～8中任一项所述的液晶混合物，所述第一基板上设置有反射面。
10.一种如权利要求9所述的宽波段光反射器件的使用方法，包括：
反式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子结合形成的配合物，使得所述宽波段光反射器件的反射带宽被调节到第一波长范围；
使用360nm～370nm的紫外光照射所述液晶混合物，所述第一手性分子与所述第二手性分子分离，所述第一手性分子由反式构象变成顺式构象，所述顺式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子分开，且诱导所述向列相液晶分子取向变成胆甾相液晶分子，使得所述宽波段光反射器件的反射带宽被调节到第二波长范围；
采用435nm～445nm的可见光照射所述宽波段光反射器件，上述步骤逆向进行，所述宽波段光反射器件由反射出所述第二波长范围的光转换为反射出所述第一波长范围内的光。
11.根据权利要求10所述的宽波段光反射器件的使用方法，其中，
所述第一波长范围为622nm～2.5μm，其对应于红外光区和红光区，所述反式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子结合形成配合物时，所述宽波段光反射器件反射出红外光或者红光；
所述第二波长范围为200nm～455nm，其对应于紫外光区、紫光区和蓝光区，所述顺式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子分开时，所述宽波段光反射器件反射出紫外光、紫光或者蓝光。
12.根据权利要求11所述的宽波段光反射器件的使用方法，其中，所述反式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子通过氢键结合形成所述配合物，所述液晶分子呈向列相。
13.根据权利要求12所述的宽波段光反射器件的使用方法，其中，所述顺式构象的所述第一手性分子与所述第二手性分子离散分散在所述液晶分子中，所述液晶分子呈胆甾相。
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