合成分子开关使“绘画”与自然光

　　

　　

　　液晶以自己的相存在。它们可以像液体一样流动，但由于它们的分子以某种有序的方式排列，因此可以很容易地操纵它们来反射光线。这种灵活性使液晶成为节能手机、电视和电脑显示屏的首选材料。

　　在《自然化学》杂志上的一项新研究中，达特茅斯大学和南卫理公会大学的研究人员暗示，液晶的其他应用可能有一天会成为可能，所有这些应用都是由自然光供电的。它们包括液晶激光器、易于打印和擦除的显示屏，以及可以添加到钞票上的微型标签，以防止造假者。

　　这些神奇装置的核心是一个合成分子开关，它可以触发液晶的形状变化，从而反射出不同的颜色。该开关由达特茅斯大学化学教授伊万·阿普拉哈米安（Ivan Aprahamian）的实验室设计，由有机分子三叶草和一类被称为腙的化合物组成，这些化合物可以通过光脉冲开关。

　　在这项研究中，Aprahamian和他的同事们表明，腙可以以这样一种方式附着在三甲烯上，使得分子的对称性被打破，使其具有手性。手性分子有两种镜像形式，就像我们的手一样，不能完全重叠在一起。

　　当手性三叶草与液晶分子相互作用时，它会启动一系列事件，导致其他液晶分子落在一起，将自己重新排列成扭曲的dna状螺旋。

　　在螺旋结构中，液晶根据其间距或螺旋结构中线圈的间距反射不同波长的环境光；拉伸和压缩螺旋会触发颜色变化。在自然界中，变色龙和头足类动物也利用它们的结构特征，在皮肤色素没有任何变化的情况下，迅速融入周围环境。

　　“通过增加或减少螺旋结构的间距，我们可以控制它反射的颜色，”Aprahamian说。“把它想象成拉手风琴。我们不是通过压缩和扩大乐器来控制你听到的音调，而是用光来控制你看到的音高和颜色。”

　　这项研究提供了爱德华·蒙克的《呐喊》和梵高的《星夜》的生动复制品作为证据。这些图像是在新大亚历山大·利珀特的实验室里用一台改装成迷你幻灯片投影仪的显微镜制作的。

　　

　　在一个让人想起多色丝网印刷的过程中，研究人员使用微型投影仪将光线投射到一个临时屏幕上的一系列模板上，这个屏幕是由掺有手性三甲烯的液晶制成的。通过将不同时间长度的光照射在屏幕上留下的模板暴露的部分，一个接一个地添加新的颜色。

　　“一旦图案被绘制出来，它可以在那里停留几天，”研究报告的合著者、新大副教授利珀特说。“你也可以把它擦掉，回到空白的画布上。”

　　Aprahamian的实验室以前也设计过腙开关，但这个版本是第一个被证明能够反射液晶可见颜色的开关。这也是第一次使用一种可以开关的掺杂剂在液晶显示器上投射出稳定、持久的彩色图像。

　　在早期的实验中，Aprahamian尝试用一种称为异山梨酯的手性分子制造可切换的掺杂剂。虽然液晶会与异山梨酯相互作用并形成螺旋结构，但它们不反射可见光。2016年在特柳赖德举行的一次会议上，麻省理工学院的一位化学教授建议阿普拉哈米安尝试一下三甲烯。

　　手性三叶草被证明是一个突破，因为它能够有效地将手性信息传递给液晶，Aprahamian说。相对较少的分子就可以将大量液晶组织成一种新的结构来改变它们的性质。

　　“这就是众所周知的中士和士兵效应，”阿普拉哈米安说。“少数手性‘中士’分子控制着大量非手性‘士兵’分子的性质。”

　　这项研究详细描述了分子水平上发生的事情，这可以帮助研究人员进一步研究液晶的新应用。

　　“我们现在可以在这些知识的基础上创造更好的液晶掺杂剂，”该研究的第一作者，印度理工学院助理教授Indu Bala说，他是达特茅斯大学的博士后研究员，参与了这个项目。