一种碟状液晶磁场下干涉色产生方法与流程

本发明涉及液晶技术领域，特别是涉及一种碟状液晶磁场下干涉色产生方法。

背景技术：

相较于一般晶体，液晶由于其独特的性质而被广泛应用于各个行业。易流动性导致液晶不能保持一个稳定的状态，其排列取向保持长程有序短程无序。液晶的排列取向受各种外部场的作用，如温度场、重力场、电场以及磁场等，研究在各种外场作用下，液晶取向以及其物理化学性质的变化，对于其更好的应用具有重要的意义。

目前，研究和应用较多的是棒状液晶，与一维棒状液晶相比，二维碟状液晶在物理性质上存在很大不同。经实验发现，碟状颗粒形成液晶对外部场更加敏感，在外场作用下碟状液晶的排列取向、相变的临界浓度、相变速率以及液晶相的双折射率等物理性质会产生较大变化，因此研究外部场对碟状液晶物理性质的作用，有助于使碟状液晶得到更广泛的应用。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种碟状液晶磁场下干涉色产生方法，应用于观测在外部磁场作用下碟状液晶产生干涉色的变化，对于加深了解碟状液晶的光学性质，对于其在光学上的应用有很大的帮助。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碟状液晶磁场下干涉色产生方法，包括：

制备碟状液晶悬浮液；

设计液晶干涉色产生装置，所述液晶干涉色产生装置至少包括光源、第一偏振元件、第二偏振元件和磁场发生器，所述光源、所述第一偏振元件和所述第二偏振元件沿光路方向依次设置，所述第一偏振元件的偏振方向与所述第二偏振元件的偏振方向垂直，将所述碟状液晶悬浮液置于所述第一偏振元件和所述第二偏振元件之间，所述磁场发生器用于向碟状液晶悬浮液所处空间产生磁场；

将产生磁场的磁场方向、磁场强度和所述液晶悬浮液的浓度确定为可控参数，分别改变各所述可控参数，在磁场下诱导产生碟状液晶干涉色。

可选地，所述碟状液晶悬浮液为碟状磷酸锆纳米粒子悬浮液；

所述制备碟状液晶悬浮液包括：

制备磷酸锆纳米粒子；

将所述磷酸锆纳米粒子和四丁基氢氧化铵按第一预设摩尔比混合于水中，并进行超声波处理；

将处理后的混合液经过离心水洗，去除上层清液和底层沉淀，取中层液体得到磷酸锆纳米粒子悬浮液。

可选地，所述制备磷酸锆纳米粒子包括：

将氧氯化锆和磷酸按第二预设摩尔比混合于水中，采用回流法在预设温度条件下，混合液在均匀搅拌作用下，反应预设时间；

将反应后的混合液冷却，采用离心水洗的方式获得沉淀物，并将沉淀物进行鼓风干燥。

可选地，包括：

产生磁场的磁场方向、所述碟状液晶悬浮液的浓度不变，改变产生磁场的磁场强度，观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

可选地，包括：

产生磁场的磁场强度、所述碟状液晶悬浮液的浓度不变，将磁场方向分别设置为与光路方向平行、与光路方向垂直、与光路方向具有预设夹角，在所述各情况下观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

可选地，包括：

产生磁场的磁场方向、磁场强度不变，改变所述碟状液晶悬浮液的浓度，观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

可选地，还包括：在碟状液晶悬浮液中加入电荷电离物质，改变各所述可控参数，观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

可选地，所述光源为白光光源或者单色光源。

可选地，所述磁场发生器包括设置在所述液晶悬浮液所处空间上方的电磁铁，以及设置在所述液晶悬浮液所处空间下方的电磁铁。

可选地，所述碟状液晶悬浮液置于透明的矩形器皿中。

由上述技术方案可知，本发明所提供的碟状液晶磁场下干涉色产生方法，首先制备碟状液晶悬浮液，并设计液晶干涉色产生装置。液晶干涉色产生装置至少包括光源、第一偏振元件、第二偏振元件以及磁场发生器，光源发出的光经过第一偏振元件形成线偏振光，线偏振光入射到碟状液晶悬浮液，在磁场作用下悬浮液中碟状液晶粒子按一定取向排列，基于形成液晶相的各向异性入射光在悬浮液中发生双折射现象，产生两路光发生干涉，干涉光经第二偏振元件透过。将施加磁场的磁场方向、磁场强度以及碟状液晶悬浮液的浓度确定为可控参数，分别改变各可控参数，观测碟状液晶在磁场下产生干涉色的变化。通过研究碟状液晶产生干涉色随各参数的变化，对于加深了解碟状液晶的光学性质，对于其在光学上的应用有很大的帮助。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种碟状液晶磁场下干涉色产生方法的流程图；

图2为本发明实施例中制备碟状磷酸锆纳米粒子悬浮液的流程图；

图3为本发明实施例提供的液晶干涉色产生装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种碟状液晶磁场下干涉色产生方法，包括：

制备碟状液晶悬浮液；

设计液晶干涉色产生装置，所述液晶干涉色产生装置至少包括光源、第一偏振元件、第二偏振元件和磁场发生器，所述光源、所述第一偏振元件和所述第二偏振元件沿光路方向依次设置，所述第一偏振元件的偏振方向与所述第二偏振元件的偏振方向垂直，将所述碟状液晶悬浮液置于所述第一偏振元件和所述第二偏振元件之间，所述磁场发生器用于向碟状液晶悬浮液所处空间产生磁场；

将产生磁场的磁场方向、磁场强度和所述液晶悬浮液的浓度确定为可控参数，分别改变各所述可控参数，在磁场下诱导产生碟状液晶干涉色。

本实施例碟状液晶磁场下干涉色产生方法，首先制备碟状液晶悬浮液，并设计液晶干涉色产生装置。液晶干涉色产生装置至少包括光源、第一偏振元件、第二偏振元件以及磁场发生器，光源发出的光经过第一偏振元件形成线偏振光，线偏振光入射到碟状液晶悬浮液，在磁场作用下悬浮液中碟状液晶粒子按一定取向排列，基于形成液晶相的各向异性入射光在悬浮液中发生双折射现象，产生两路光发生干涉，干涉光经第二偏振元件透过。将施加磁场的磁场方向、磁场强度以及碟状液晶悬浮液的浓度确定为可控参数，分别改变各可控参数，观测碟状液晶在磁场下产生干涉色的变化。通过研究碟状液晶产生干涉色随各参数的变化，对于加深了解碟状液晶的光学性质，对于其在光学上的应用有很大的帮助。

下面以碟状磷酸锆纳米粒子这类碟状液晶为例，对本实施例碟状液晶磁场下干涉色产生方法进行详细的说明。请参考图1，本实施例碟状液晶磁场下干涉色产生方法，包括步骤：

S10：制备碟状液晶悬浮液。

对于碟状磷酸锆纳米粒子悬浮液，请参考图2，制备方法具体包括以下步骤：

S20：制备磷酸锆纳米粒子。

在本实施例中，制备的磷酸锆纳米粒子为α-磷酸锆纳米粒子，该α-磷酸锆纳米粒子的具体制备过程为：

首先，将氧氯化锆和磷酸按照第二预设摩尔比混合于水中，采用回流法在预设温度条件下，混合液在均匀搅拌作用下，反应预设时间。具体的，本实施例中预设温度选择95℃，温度较高有利于反应，但考虑到水的沸点为100℃，因此反应温度要不高于100℃，该预设温度也可选择小于100℃的其它温度。第二预设摩尔比选择为1：20，混合液在磁力搅拌(可选择20r/min)的作用下，反应12小时。在该制备过程中配置溶液以及进行反应采用的水为去离子水。

在实验中，可通过改变磷酸的浓度，控制生成的α-磷酸锆纳米粒子的粒径。

其次，将反应后的混合液冷却，采用离心水洗的方式获得沉淀物，并将沉淀物进行鼓风干燥。具体可采用空气冷却的方式将反应后的混合液冷却，然后将冷却后的混合液离心水洗三次，取底层沉淀物在70℃条件下鼓风干燥，可以使干燥速度加快，当然也可在其它温度条件进行干燥，所得到的白色沉淀物即为制得的磷酸锆纳米粒子。在制备得到沉淀物后，可以将白色固体研磨，通过X射线衍射(X-ray diffraction，简称XRD)测试，来检测所合成的粉末固体是否为α-磷酸锆，还可利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)观察粉末的微观形貌。

S21：将所述磷酸锆纳米粒子和四丁基氢氧化铵按第一预设摩尔比混合于水中，并进行超声波处理。

四丁基氢氧化铵即TBAOH，是一种在水中易电离的有机物质，溶于水中电离成TBA⁺，会取代H⁺的位置，插入到多层的α-ZrP(即α-磷酸锆)的层与层之间。当过量的TBAOH加入时，多层的α-ZrP被剥离成单层的ZrP碟片，单层的ZrP碟片包含两层的TBA⁺和一层ZrP，ZrP碟片表面带有电荷，分散在溶剂中时碟片之间存在静电斥力，从而使碟片悬浮在溶剂中，形成悬浮液。

采用I-N相变分离法，具体通过超声波处理可控制形成ZrP碟片的径厚比(直径与厚度的比值)以及分散度，以使得形成碟片的径厚比在要求范围内，保证能够形成液晶。另一方面，通过超声波处理使纳米粒子可均匀分散在溶液中。

优选的，在该反应中采用的水为去离子水。

本实施例中采用四丁基氢氧化铵对磷酸锆纳米粒子进行剥离，利用了四丁基氢氧化铵的强电离性质，可以理解的是，在其它实施例中也可采用对反应物磷酸锆纳米粒子没有影响的其它类型的强电离性物质。

S22：将处理后的混合液经过离心水洗，去除上层清液和底层沉淀，取中层液体得到磷酸锆纳米粒子悬浮液。

将处理后的混合液进行离心水洗，去除上层清液和底层沉淀，取中层液体，便得到单分子层磷酸锆纳米粒子胶体悬浮液。

本实施例中是以碟状磷酸锆纳米粒子为例来说明碟状液晶悬浮液的制作方法的，对于其它种类的碟状液晶粒子，与本实施例中碟状磷酸锆纳米粒子具有相类似物理性质的，也可采用与本方法相同原理的制作方法。

S11：设计液晶干涉色产生装置。

本实施例中，请参考图3，所述液晶干涉色产生装置至少包括光源100、第一偏振元件101、第二偏振元件102和磁场发生器103，所述光源100、所述第一偏振元件101和所述第二偏振元件102沿光路方向依次设置，所述第一偏振元件101的偏振方向与所述第二偏振元件102的偏振方向垂直，将碟状液晶悬浮液置于第一偏振元件101和第二偏振元件102之间，所述磁场发生器103用于向碟状液晶悬浮液所处空间产生磁场。

光源发出的光经过第一偏振元件101形成线偏振光，线偏振光入射到碟状液晶悬浮液，在磁场作用下悬浮液中碟状液晶粒子会按照一定取向排列，基于液晶的各向异性入射光在悬浮液中会发生双折射现象，产生两路光发生干涉，干涉光经第二偏振元件102透过。在第二偏振元件干涉光出射的一侧设置光电成像装置104，来接收和记录碟状液晶产生的干涉光。

本实施例中，光源100可采用白光光源，或者单色光源。

本实施例中，将碟状液晶悬浮液置于透明的矩形器皿中，如矩形石英比色皿，例如为光程差为1mm的350μL矩形石英比色皿。在实验观测中以入射光垂直入射到比色皿的光入射面。

本实施例中，磁场发生器103包括设置在所述液晶悬浮液所处空间上方的电磁铁，以及设置在所述液晶悬浮液所处空间下方的电磁铁。该磁场发生器103具体向液晶悬浮液所处空间产生匀强磁场。

所述光电成像装置104可采用CCD相机。

S12：将产生磁场的磁场方向、磁场强度和所述液晶悬浮液的浓度确定为可控参数，分别改变各所述可控参数，在磁场下诱导产生碟状液晶干涉色。

本步骤中具体可通过以下几种观测方法对碟状磷酸锆液晶产生干涉色进行观察。

第一种观测方法，产生磁场的磁场方向、所述碟状液晶悬浮液的浓度不变，改变产生磁场的磁场强度，观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

将制备的单分子层磷酸锆胶体悬浮液配成一定浓度，置于比色皿中，将比色皿放在第一偏振元件和第二偏振元件之间的匀强磁场中，产生磁场的磁场方向可以是与光路方向垂直，即磁场方向与比色皿的光入射面平行。

然后改变磁场强度，通过光电成像装置104观测碟状液晶产生干涉色的变化。匀强磁场由电磁铁产生，磁场强度可通过调节电磁铁的输入电流或输入电压的值来调节。

在一种具体实施例中，配成碟状磷酸锆纳米粒子的体积分数2.8％，产生磁场方向与比色皿的光入射面平行，改变磁场强度观测产生的干涉色。在实验中当磁场强度控制在B＝2T，可观测到样品产生统一的紫色。

第二种观测方法，产生磁场的磁场强度、所述碟状液晶悬浮液的浓度不变，将磁场方向分别设置为与光路方向平行、与光路方向垂直、与光路方向具有预设夹角，在所述各情况下观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

将获得的单分子层磷酸锆胶体悬浮液配制成一定浓度，置于比色皿中，将比色皿放在第一偏振元件和第二偏振元件之间的匀强磁场中，产生磁场的磁场强度不变。

改变产生磁场的磁场方向，可以使磁场方向与光路方向垂直，即磁场方向与比色皿的光入射面平行；或者磁场方向与光路方向平行，即磁场方向与比色皿的光入射面垂直；或者磁场方向与光路方向具有夹角，观测各种磁场方向下诱导碟状液晶产生干涉色的变化。

在一种具体实施例中，配成碟状磷酸锆纳米粒子的体积分数2.8％，磁场强度控制在B＝2T，改变产生磁场的磁场方向来观测样品产生的干涉色。在实验中当控制磁场方向与比色皿的光入射面垂直时，得到暗场，无干涉色。

第三种观测方法，产生磁场的磁场方向、磁场强度不变，改变所述碟状液晶悬浮液的浓度，观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

将产生磁场的磁场方向、磁场强度固定，将单分子层磷酸锆胶体悬浮液配成不同浓度，分别进行观测，

第四种观测方法，在碟状液晶悬浮液中加入电荷电离物质，改变各所述可控参数，观测并记录碟状液晶产生的干涉色。

本实施例中，碟状液晶悬浮液中液晶碟片基于其表面带电荷，而悬浮于溶剂中。在本观测方法中，通过向悬浮液中加入电荷电离物质，通过该电荷电离物质改变液晶碟片表面电荷，再对其产生干涉色进行观测。

对于本实施例中制备的碟状磷酸锆纳米粒子悬浮液，可在悬浮液中加入预设浓度的四丁基氯化铵，即TBACl，TBACl能够电离TBA⁺，与ZrP碟片表面的TBA⁺相同，因此通过TBACl改变该悬浮液的离子强度，减小ZrP碟片的表面电荷。然后分别改变各可控参数，观测在磁场下诱导产生碟状液晶干涉色。在实验中，TBACl的浓度可选择为0.6M。

以上对本发明所提供的一种碟状液晶磁场下干涉色产生方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。