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政府支持的聲明

該工作由美國國家科學(xué)基金會(huì)的Grant No DNR00956081支持。政府具有本發(fā)明中的特定權(quán)利。

背景技術(shù)：

磁性響應(yīng)液晶(LC)的開發(fā)具有根本重要性和實(shí)踐重要性兩者，這是因?yàn)槠洳粌H表示允許隨著外部場(chǎng)改變探究簡(jiǎn)單樣本中的相復(fù)雜性的冷凝物質(zhì)中的理想系統(tǒng)，還打開了朝向從磁性交互的即時(shí)性質(zhì)和無接觸性質(zhì)受益的各種應(yīng)用的通路。

常規(guī)液晶(LC)對(duì)磁場(chǎng)幾乎不敏感。受它們的成分的低磁化率限制，關(guān)于先前液晶的大多數(shù)研究?jī)H聚焦于LC在磁場(chǎng)下的相行為。相信用于實(shí)際應(yīng)用(諸如光學(xué)切換)的磁性可調(diào)節(jié)液晶的使用從未被論證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在各種實(shí)施方式中，提供了磁性致動(dòng)液晶以及制作磁性致動(dòng)液晶的方法、使用磁性致動(dòng)液晶的方法(例如，在光學(xué)切換應(yīng)用、顯示器、防偽裝置等中)、使成分在液晶中的取向固定并且在固定液晶中產(chǎn)生偏振圖案的方法、以及包括磁性致動(dòng)液晶的裝置。在特定實(shí)施方式中，液晶包括磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)(例如，納米棒)，對(duì)所述磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性(modify)以用于分散(如果必須)，例如，涂布聚合物或二氧化硅層。在特定實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)涂布有一層二氧化硅。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，提供了包括Fe₃O₄納米棒的液晶，其中，納米棒涂布有二氧化硅涂層。在特定實(shí)施方式中，納米棒被提供為懸浮液(suspension)和/或分散液(dispersion)。

這里預(yù)期的各種實(shí)施方式可以包括但不必限于以下中的一個(gè)或更多個(gè)。

實(shí)施方式1：一種液晶，所述液晶包括：磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)的懸浮液/分散液。

實(shí)施方式2：根據(jù)實(shí)施方式1所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)包括從由鐵磁材料、鐵磁材料和超順磁材料組成的組中選擇的材料。

實(shí)施方式3：根據(jù)實(shí)施方式1至2中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)包括從由金屬鐵、金屬鈷、金屬鎳、金屬釓、金屬鏑、含鐵的合金、含鈷的合金、含鎳的合金、含釓的合金、含鏑的合金、鐵的氧化物、鈷的氧化物、鎳的氧化物、鎂的氧化物、銪的氧化物和鉻的氧化物組成的組中選擇的材料。

實(shí)施方式4：根據(jù)實(shí)施方式2所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)包括Fe₃O₄。

實(shí)施方式5：根據(jù)實(shí)施方式1至4中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括從由納米棒、納米片、納米管和納米盤組成的組中選擇的各向異性納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施方式6：根據(jù)實(shí)施方式1至4中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括納米棒。

實(shí)施方式7：根據(jù)實(shí)施方式1至6中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸的平均長(zhǎng)度的范圍為從大約20nm直到大約10μm。

實(shí)施方式8：根據(jù)實(shí)施方式7所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約50nm直到大約10μm、或從大約100nm直到大約5μm。

實(shí)施方式9：根據(jù)實(shí)施方式7所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約20nm、或從大約50nm、或從大約100nm、或從大約200nm、或從大約300nm、或從大約400nm、或從大約500nm直到大約10μm、直到大約5μm、或直到大約4μm、或直到大約3μm、或直到大約2μm。

實(shí)施方式10：根據(jù)實(shí)施方式7所述的液晶，其中，所述結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述平均長(zhǎng)度是大約1.5μm。

實(shí)施方式11：根據(jù)實(shí)施方式1至10中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述短軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約2nm直到大約1μm、或從大約100nm直到大約500nm、或從大約100nm直到大約300nm。

實(shí)施方式12：根據(jù)實(shí)施方式1至10中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述短軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約2nm或從大約5nm、或從大約10nm、或從大約20nm、或從大約30nm、或從大約40nm、或從大約50nm、或從大約60nm、或從大約70nm、或從大約80nm、或從大約90nm、或從大約100nm直到大約1μm、或直到大約800nm、或直到大約500nm、或直到大約400nm、或直到大約300nm。

實(shí)施方式13：根據(jù)實(shí)施方式1至10中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述短軸的所述平均長(zhǎng)度是大約200nm。

實(shí)施方式14：根據(jù)實(shí)施方式1至13中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述長(zhǎng)度與所述短軸的所述長(zhǎng)度的比率是至少大約1.1或至少大約1.2、或至少大約1.3、或至少大約1.5、或至少大約2、或至少大約3、或至少大約4、或至少大約5、或至少大約6、或至少大約7、或至少大約8、或至少大約9、或至少大約10、或至少大約11、或至少大約12、或至少大約13、或至少大約14、或至少大約15、或至少大約16、或至少大約17、或至少大約18、或至少大約19、或至少大約20。

實(shí)施方式15：根據(jù)實(shí)施方式1至14中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行改性，以確保在溶劑中的分散/懸浮。

實(shí)施方式16：根據(jù)實(shí)施方式15所述的液晶，其中，所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面用親水基團(tuán)官能化。

實(shí)施方式17：根據(jù)實(shí)施方式16所述的液晶，其中，所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面用從由羥基、羧基、巰基、羰基、氨基和磷酸鹽組成的組中選擇的基團(tuán)官能化。

實(shí)施方式18：根據(jù)實(shí)施方式15所述的液晶，其中，所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面上具有聚合物層或二氧化硅層。

實(shí)施方式19：根據(jù)實(shí)施方式15所述的液晶，其中，所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面上具有二氧化硅層。

實(shí)施方式20：根據(jù)實(shí)施方式1至19中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮/分散在極性溶劑、非極性溶劑、或極性溶劑和非極性溶劑的混合物中。

實(shí)施方式21：根據(jù)實(shí)施方式26所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮/分散在極性溶劑中。

實(shí)施方式22：根據(jù)實(shí)施方式26所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮/分散在包括水的溶液中。

實(shí)施方式23：根據(jù)實(shí)施方式26所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮/分散在包括醇的溶液中。

實(shí)施方式24：根據(jù)實(shí)施方式23所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮/分散在包括醇的溶液中，所述醇選自由甲醇、乙醇、丙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1丙醇、2-甲基-2-丙醇、乙二醇、甲二醇、丙二醇、甘油、苯甲醇、肉桂醇、二乙二醇、誘殺烯醇(grandisol)、環(huán)己醇和辛醇組成的組。

實(shí)施方式25：根據(jù)實(shí)施方式23所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮/分散在包括乙二醇的溶液中。

實(shí)施方式26：根據(jù)實(shí)施方式23所述的液晶，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮/分散在非極性溶劑中。

實(shí)施方式27：根據(jù)實(shí)施方式1至26中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述懸浮液/分散液中的各向異性納米結(jié)構(gòu)的體積分率大于大約0.1％。

實(shí)施方式28：根據(jù)實(shí)施方式27所述的液晶，其中，所述懸浮液/分散液中的各向異性納米結(jié)構(gòu)的所述體積分率的范圍為從大約0.1％直到大約70％。

實(shí)施方式29：根據(jù)實(shí)施方式27至28中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述懸浮液/分散液中的各向異性納米結(jié)構(gòu)的所述體積分率大于大約0.5％、或大于大約1％、或大于大約3％、或大于大約4％、或大于大約3％、或大于大約5％、或大于大約6％、或大于大約7％、或大于大約8％、或大于大約9％、或大于大約10％、或大于大約11％、或大于大約12％、或大于大約13％、或大于大約14％、或大于大約15％、或大于大約16％、或大于大約17％、或大于大約18％、或大于大約19％、或大于大約20％。

實(shí)施方式30：根據(jù)實(shí)施方式1至26中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述懸浮液/分散液中的各向異性納米結(jié)構(gòu)的所述體積分率是大約10％。

實(shí)施方式31：根據(jù)實(shí)施方式27至30中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述懸浮液中的各向異性納米結(jié)構(gòu)的所述體積分率足以提供有序液晶相。

實(shí)施方式32：根據(jù)實(shí)施方式1至31中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)在具有小于大約1T的強(qiáng)度的磁場(chǎng)中重新取向。

實(shí)施方式33：根據(jù)實(shí)施方式32所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)在具有一強(qiáng)度的磁場(chǎng)中重新取向，該強(qiáng)度小于大約800mT、或小于大約500mT、或小于大約400mT、或小于大約300mT、或小于大約200mT、或小于大約100mT、或小于大約50mT、或小于大約25mT、或小于大約10mT、或小于大約5mT、或小于大約1mT。

實(shí)施方式34：根據(jù)實(shí)施方式1至33中的任一項(xiàng)所述的液晶，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)懸浮/分散在包含聚合物分子或預(yù)聚物分子的溶液中。

實(shí)施方式35：一種裝置，所述裝置包括：第一偏振層或膜，所述第一偏振層或膜被構(gòu)造為充當(dāng)偏振器；第二偏振層或膜；以及根據(jù)實(shí)施方式1至34中的任一項(xiàng)所述的液晶，所述液晶設(shè)置在所述第一偏振層或膜與所述第二偏振層或膜之間。

實(shí)施方式36：根據(jù)實(shí)施方式35所述的裝置，其中，所述第一偏振層或膜被構(gòu)造為充當(dāng)偏振器。

實(shí)施方式37：根據(jù)實(shí)施方式35至36中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述第二偏振層或膜被構(gòu)造為充當(dāng)檢偏器。

實(shí)施方式38：根據(jù)實(shí)施方式35至37中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述第一偏振層或膜的偏振角與所述第二偏振層或膜的所述偏振角不同。

實(shí)施方式39：根據(jù)實(shí)施方式38所述的裝置，其中，所述第一偏振層或膜的所述偏振角和所述第二偏振層或膜的所述角相差從大約0度至大約180度范圍內(nèi)的量。

實(shí)施方式40：根據(jù)實(shí)施方式39所述的裝置，其中，所述第一偏振層或膜的所述偏振角和所述第二偏振層或膜的所述角相差大約45度。

實(shí)施方式41：根據(jù)實(shí)施方式39所述的裝置，其中，所述第一偏振層或膜的所述偏振角和所述第二偏振層或膜的所述角相差大約90度。

實(shí)施方式42：根據(jù)實(shí)施方式35至41中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述裝置還包括反射層，所述反射層設(shè)置在所述第一偏振層或膜和所述第二偏振層或膜后面。

實(shí)施方式43：根據(jù)實(shí)施方式35至42中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述裝置是從由顯示器、波導(dǎo)、致動(dòng)器和光學(xué)調(diào)制器組成的組中選擇的設(shè)備的組件。

實(shí)施方式44：一種光學(xué)切換方法，所述方法包括：使偏振后的光學(xué)信號(hào)穿過根據(jù)實(shí)施方式1至34中的任一項(xiàng)所述的液晶；以及將磁場(chǎng)施加至所述液晶，以改變所述液晶對(duì)所述光學(xué)信號(hào)的透射。

實(shí)施方式45：根據(jù)實(shí)施方式44所述的方法，其中，所述磁場(chǎng)以至少1Hz的頻率被切換。

實(shí)施方式46：根據(jù)實(shí)施方式45所述的方法，其中，所述磁場(chǎng)以至少5Hz、或至少10Hz、或至少20Hz、或至少50Hz、或至少80Hz、或至少100Hz、或至少150Hz、或至少200Hz的頻率被切換。

實(shí)施方式47：根據(jù)實(shí)施方式44至46中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法使用根據(jù)實(shí)施方式35至43中的任一項(xiàng)所述的裝置執(zhí)行。

實(shí)施方式48：一種制造用作磁性液晶的磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括：制備非磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)；如果必須確保溶劑分散性，則對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行改性；以及將所述納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇判愿飨虍愋约{米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施方式49：一種制造用作磁性液晶的磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括：制備磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)；以及如果必須確保溶劑分散性，則對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行改性。

實(shí)施方式50：根據(jù)實(shí)施方式49所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括從由金屬鐵、金屬鈷、金屬鎳、金屬釓、金屬鏑、含鐵的合金、含鈷的合金、含鎳的合金、含釓的合金、含鏑的合金、鐵的氧化物、鈷的氧化物、鎳的氧化物、鎂的氧化物、銪的氧化物和鉻的氧化物組成的組中選擇的材料。

實(shí)施方式51：根據(jù)實(shí)施方式49所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括從由Fe、Co、Ni、Mn、Gd、Dy、Eu、Cr、Zn、Cu、Mg、O、Si、Bi、Y、Sb組成的組中選擇的材料。

實(shí)施方式52：根據(jù)實(shí)施方式49所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括從由Fe、Co、Ni、Mn、Gd、Dy、Eu、Cr、Zn、Cu、Mg、O、Si、Bi、Y、Sb的化合物組成的組中選擇的材料。

實(shí)施方式53：根據(jù)實(shí)施方式49所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括從由Fe、Co、Ni、Mn、Gd、Dy、Eu、Cr、Zn、Cu、Mg、O、Si、Bi、Y、Sb的合金組成的組中選擇的材料。

實(shí)施方式54：根據(jù)實(shí)施方式49所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)包括Fe₃O₄。

實(shí)施方式55：根據(jù)實(shí)施方式49至54中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括從由納米棒、納米片、納米管和納米盤組成的組中選擇的各向異性納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施方式56：根據(jù)實(shí)施方式49至54中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)包括納米棒。

實(shí)施方式57：根據(jù)實(shí)施方式49至56中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約20nm直到大約10μm。

實(shí)施方式58：根據(jù)實(shí)施方式57所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約50nm直到大約10μm、或從大約100nm直到大約5μm。

實(shí)施方式59：根據(jù)實(shí)施方式57所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約20nm、或從大約50nm、或從大約100nm、或從大約200nm、或從大約300nm、或從大約400nm、或從大約500nm直到大約10μm、直到大約5μm、或直到大約4μm、或直到大約3μm、或直到大約2μm。

實(shí)施方式60：根據(jù)實(shí)施方式57所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述平均長(zhǎng)度是大約1.5μm。

實(shí)施方式61：根據(jù)實(shí)施方式49至60中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述短軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約2nm直到大約1μm、或從大約100nm直到大約500nm、或從大約100nm直到大約300nm。

實(shí)施方式62：根據(jù)實(shí)施方式49至60中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述短軸的所述平均長(zhǎng)度的范圍為從大約2nm或從大約5nm、或從大約10nm、或從大約20nm、或從大約30nm、或從大約40nm、或從大約50nm、或從大約60nm、或從大約70nm、或從大約80nm、或從大約90nm、或從大約100nm直到大約1μm、或直到大約800nm、或直到大約500nm、或直到大約400nm、或直到大約300nm。

實(shí)施方式63：根據(jù)實(shí)施方式49至60中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述短軸的所述平均長(zhǎng)度是大約200nm。

實(shí)施方式64：根據(jù)實(shí)施方式49至63中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性結(jié)構(gòu)的所述長(zhǎng)軸的所述長(zhǎng)度與所述短軸的所述長(zhǎng)度的比率是至少大約1.1或至少大約1.2、或至少大約1.3、或至少大約1.5、或至少大約2、或至少大約3、或至少大約4、或至少大約5、或至少大約6、或至少大約7、或至少大約8、或至少大約9、或至少大約10、或至少大約11、或至少大約12、或至少大約13、或至少大約14、或至少大約15、或至少大約16、或至少大約17、或至少大約18、或至少大約19、或大約至少20。

實(shí)施方式65：根據(jù)實(shí)施方式49至64中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述制備包括：制備包括FeOOH納米結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)，所述FeOOH納米結(jié)構(gòu)包括FeCl₃前體。

實(shí)施方式66：根據(jù)實(shí)施方式49至65中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行改性包括：用表面活性劑對(duì)所述表面進(jìn)行改性。

實(shí)施方式67：根據(jù)實(shí)施方式49至65中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行改性包括：用親水基團(tuán)來官能化所述表面。

實(shí)施方式68：根據(jù)實(shí)施方式67所述的方法，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行所述改性包括：用從由羥基、羧基、巰基、羰基、氨基和磷酸鹽組成的所述組中選擇的基團(tuán)官能化所述表面。

實(shí)施方式69：根據(jù)實(shí)施方式49至65中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行所述改性包括：用氧化物涂層來涂布所述表面。

實(shí)施方式70：根據(jù)實(shí)施方式69所述的方法，其中，所述氧化物涂層包括二氧化硅。

實(shí)施方式71：根據(jù)實(shí)施方式70所述的方法，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行所述改性包括：使所述納米結(jié)構(gòu)與硅醇鹽反應(yīng)。

實(shí)施方式72：根據(jù)實(shí)施方式71所述的方法，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行所述改性包括：使所述納米結(jié)構(gòu)與硅醇鹽反應(yīng)，所述硅醇鹽選自由正硅酸乙酯(tetraethyl orthosilicate，TEOS)和正硅酸甲酯(tetramethylorthosilicate，TMOS)組成的組。

實(shí)施方式73：根據(jù)實(shí)施方式49至65中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，對(duì)所述納米結(jié)構(gòu)的所述表面進(jìn)行所述改性包括：用聚合物涂層來涂布所述表面。

實(shí)施方式74：根據(jù)實(shí)施方式48和50至73中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述將改性后的所述納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇判愿飨虍愋约{米結(jié)構(gòu)包括：還原所述非磁性納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施方式75：根據(jù)實(shí)施方式48和50至73中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述將改性后的所述納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇判愿飨虍愋约{米結(jié)構(gòu)包括：將所述納米結(jié)構(gòu)中的FeOOH還原成Fe₃O₄。

實(shí)施方式76：根據(jù)實(shí)施方式74至75中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述還原使用從由二乙二醇、乙二醇、甘油、氫硼化物、聯(lián)氨和氫組成的組中選擇的材料來執(zhí)行。

實(shí)施方式77：根據(jù)實(shí)施方式48至76中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法還包括：純化和/或濃縮所述磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施方式78：根據(jù)實(shí)施方式77所述的方法，其中，所述純化和/或濃縮包括一個(gè)或更多個(gè)磁性分離步驟。

實(shí)施方式79：根據(jù)實(shí)施方式48至78中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)被濃縮或重新懸浮到大于大約0.1％的體積分率。

實(shí)施方式80：根據(jù)實(shí)施方式48至78中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)被濃縮或重新懸浮到范圍為0.1％直到大約70％的體積分率。

實(shí)施方式81：根據(jù)實(shí)施方式48至78中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)被濃縮或重新懸浮到一體積分率，該體積分率大于大約0.5％、或大于大約1％、或大于大約3％、或大于大約4％、或大于大約3％、或大于大約5％、或大于大約6％、或大于大約7％、或大于大約8％、或大于大約9％、或大于大約10％、或大于大約11％、或大于大約12％、或大于大約13％、或大于大約14％、或大于大約15％、或大于大約16％、或大于大約17％、或大于大約18％、或大于大約19％、或大于大約20％。

實(shí)施方式82：根據(jù)實(shí)施方式48至78中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)被濃縮或重新懸浮到足以提供有序液晶相的體積分率。

實(shí)施方式83：根據(jù)實(shí)施方式48至82中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在極性溶劑、非極性溶劑、或極性溶劑和非極性溶劑的混合物中。

實(shí)施方式84：根據(jù)實(shí)施方式83所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在極性溶劑中。

實(shí)施方式85：根據(jù)實(shí)施方式83所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在包括水的溶液中。

實(shí)施方式86：根據(jù)實(shí)施方式83所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在包括醇的溶液中。

實(shí)施方式87：根據(jù)實(shí)施方式86所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在包括醇的溶液中，該醇選自由甲醇、乙醇、丙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1丙醇、2-甲基-2-丙醇、乙二醇、甲二醇、丙二醇、甘油、苯甲醇、肉桂醇、二乙二醇、誘殺烯醇、環(huán)己醇和辛醇組成的組。

實(shí)施方式88：根據(jù)實(shí)施方式86所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在包括乙二醇的溶液中。

實(shí)施方式89：根據(jù)實(shí)施方式83所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在非極性溶劑中。

實(shí)施方式90：根據(jù)實(shí)施方式83所述的方法，其中，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)懸浮在包含聚合物分子或預(yù)聚物分子的溶液中。

實(shí)施方式91：一種液晶，所述液晶包括根據(jù)實(shí)施方式48至90中的任一項(xiàng)所述的方法制造的涂布有二氧化硅的磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施方式92：一種制作用一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)偏振圖案化的薄膜的方法，所述方法包括：提供基底，在所述基底上沉積包含如實(shí)施方式1至34中的任一項(xiàng)所述的各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)的樹脂；將磁場(chǎng)施加至所述樹脂，以使在涂布有所述樹脂的所述基底的所有或一個(gè)或更多個(gè)區(qū)域中的所述各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)配向；以及固化/交聯(lián)在涂布有所述樹脂的所述基底的所有或一個(gè)或更多個(gè)區(qū)域中的所述樹脂，以將所述各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)固定在第一配向上，從而提供第一光學(xué)偏振。

實(shí)施方式93：根據(jù)實(shí)施方式92所述的方法，所述方法還包括：將磁場(chǎng)施加至所述基底的第二區(qū)域，以將所述第二區(qū)域中的各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)配向在與所述第一配向不同的取向上；以及固化/交聯(lián)所述第二區(qū)域中的所述樹脂，以將在所述第二區(qū)域中配向的所述各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)固定在第二配向，以提供第二光學(xué)偏振。

實(shí)施方式94：根據(jù)實(shí)施方式92至93中的任一項(xiàng)所述的方法，所述方法還包括：將磁場(chǎng)施加至所述基底的第三區(qū)域，以將所述第三區(qū)域中的所述各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)配向在與所述第一配向和/或所述第二配向不同的取向上；以及固化/交聯(lián)所述第三第二區(qū)域中的所述樹脂，以將在所述第三區(qū)域中配向的所述納米棒固定在第三配向，以提供第三光學(xué)偏振。

實(shí)施方式95：根據(jù)實(shí)施方式92至94中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法包括：使一個(gè)或更多個(gè)區(qū)域中的所述樹脂不固化/不交聯(lián)，使得當(dāng)將磁場(chǎng)施加至所述膜時(shí)，所述區(qū)域中的所述各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)重新取向。

實(shí)施方式96：根據(jù)實(shí)施方式92至95中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述樹脂是UV固化樹脂，并且通過將UV光施加至將被固化/交聯(lián)的所述區(qū)域進(jìn)行所述固化/交聯(lián)。

實(shí)施方式97：根據(jù)實(shí)施方式96所述的方法，其中，所述樹脂選自由雙酚A-二縮水甘油醚二丙烯酸酯(bisphenol-A-diglycidyl-ether-diacrylate，BGEDA)、聚乙二醇二丙烯酸酯(polyethylene-glycol-diacrylate，PEGDA)、以及聚(二乙二醇碳酸酯)二丙烯酸酯(poly(diethylene-glycol-carbonate)diacrylate，PGCDA)組成的組。

實(shí)施方式98：根據(jù)實(shí)施方式92至95中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述樹脂是化學(xué)固化樹脂，并且通過將所述固化催化劑施加至將被固化/交聯(lián)的所述區(qū)域進(jìn)行所述固化/交聯(lián)。

實(shí)施方式99：根據(jù)實(shí)施方式98所述的方法，其中，所述催化劑被噴墨納米打印在將被固化的所述區(qū)域上。

實(shí)施方式100：一種用一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)偏振圖案化的薄膜，所述薄膜包括：根據(jù)實(shí)施方式1至34中的任一項(xiàng)所述的各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)，其中，所述各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)在所述薄膜中的不同位置處被設(shè)置在一個(gè)或更多個(gè)預(yù)定取向上。

實(shí)施方式101：根據(jù)實(shí)施方式100所述的薄膜，其中，所述膜包括一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域，所述一個(gè)或更多個(gè)第一區(qū)域包括配向在提供第一偏振的第一配向上的各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)施方式102：根據(jù)實(shí)施方式101所述的薄膜，其中，所述膜包括一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域，所述一個(gè)或更多個(gè)第二區(qū)域包括配向在與所述第一配向不同的第二配向上的各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)，所述第二配向提供與所述第一偏振不同的第二偏振。

實(shí)施方式103：根據(jù)實(shí)施方式102所述的薄膜，其中，所述膜包括一個(gè)或更多個(gè)第三區(qū)域，所述一個(gè)或更多個(gè)第三區(qū)域包括配向在與所述第一和/或所述第二配向不同的第三配向上的各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)，所述第三配向提供與所述第一和/或所述第二偏振不同的第三偏振。

實(shí)施方式104：根據(jù)實(shí)施方式100至103中的任一項(xiàng)所述的薄膜，其中，所述膜包括一個(gè)或更多個(gè)區(qū)域，其中，當(dāng)將磁場(chǎng)施加至所述膜時(shí)，所述區(qū)域中的所述各向異性磁性納米結(jié)構(gòu)自由地重新取向。

實(shí)施方式105：根據(jù)實(shí)施方式100至104中的任一項(xiàng)所述的薄膜，其中，根據(jù)實(shí)施方式92至99中的任一項(xiàng)所述的方法來制作所述膜。

附圖說明

圖1示出了(畫面a)FeOOH納米棒和(畫面b)Fe₃O₄@SiO₂納米棒的TEM圖像。比例尺：1μm；(畫面c)Fe₃O₄@SiO₂納米棒的磁性磁滯回線；(畫面d)聚合物基體中的固定磁性液晶的SEM圖像，示出了磁性納米棒的有序布置。比例尺：1μm；(畫面e)為不同體積分率(Ф)(1％、3％、5％和10％)(從上到下)的毛細(xì)管中的Fe₃O₄@SiO₂納米棒的水分散液的POM圖像。比例尺：500μm。

圖2示出了在不同方向上取向的磁場(chǎng)下的磁性液晶膜的(畫面a-d)POM圖像和(畫面e-h)明視場(chǎng)OM圖像。左上的黑色箭頭指示偏振器(P)和檢偏器(A)的透射軸。白色箭頭指示場(chǎng)方向。每個(gè)圖像中的右上角不包含樣本。比例尺：500μm。

圖3(畫面a)方案示出了光學(xué)切換處理，并且(畫面b)示出了交替磁場(chǎng)下的磁性液晶的透射強(qiáng)度輪廓。

圖4(畫面a)方案示出了用于制造具有不同偏振圖案的薄膜的光刻工藝；(畫面b-d)示出了各種偏振調(diào)制圖案的POM圖像；(畫面e)放大的OM圖像示出了納米棒在圖案(左)和周圍區(qū)域(右)中的布置。比例尺：(畫面b-d)500μm；(畫面e)10μm。

圖5(畫面a-d)示出了在(畫面a、b)之前且(畫面c、d)之后正交偏振器下的兩個(gè)偏振調(diào)制圖案的POM圖像，使偏振器的透射軸的方向移動(dòng)45°；(畫面e、f)示出了相同圖案的明視場(chǎng)圖像；(畫面g)標(biāo)繪線示出了薄膜的透射率對(duì)納米棒取向與偏振器的透射軸之間的角度的依賴性；(畫面h)通過控制由白色箭頭指示的納米棒的相對(duì)取向用不同區(qū)域中的不同亮度圖案化的單個(gè)薄膜的POM圖像。比例尺：500μm。

定義

這里可交換地使用術(shù)語“懸浮液”和“分散液”，以指代液體(或聚合后的)介質(zhì)中存在的納米結(jié)構(gòu)。在特定實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)同質(zhì)地分散在介質(zhì)中，而在其它實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)不同質(zhì)地分散。在特定實(shí)施方式中，納米顆粒在介質(zhì)中提供一個(gè)或多個(gè)相。

具體實(shí)施方式

在各種實(shí)施方式中，提供了磁性致動(dòng)液晶以及制作磁性致動(dòng)液晶的方法、使用液晶(例如，在光學(xué)切換應(yīng)用、顯示器等中)的方法和包括液晶的裝置。在特定實(shí)施方式中，液晶包括磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)(例如，納米棒和納米片)。如果必須，則用附加涂層對(duì)這些磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行改性，以用于在溶劑中的增強(qiáng)分散，例如，涂布一層加帽配合基、或聚合物、或諸如二氧化硅的無機(jī)氧化物。在特定實(shí)施方式中，納米結(jié)構(gòu)涂布有二氧化硅層。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，為了制造液晶，合成超順磁鐵氧化物納米棒或納米片，并且用加帽配合基、或諸如二氧化硅的氧化物、或用于增強(qiáng)分散的聚合物(如果必要)對(duì)它們的表面進(jìn)行改性。然后，納米棒或納米片可以以特定體積分率分散在合適溶劑中，以形成磁性致動(dòng)液晶。這些液晶顯示出出色的磁性響應(yīng)和磁場(chǎng)控制即時(shí)和可逆取向。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，為了制造液晶，合成鐵磁鐵氧化物納米棒或納米片，并且用加帽配合基、或諸如二氧化硅的氧化物、或用于增強(qiáng)分散的聚合物(如果必要)對(duì)它們的表面進(jìn)行改性。然后，納米棒或納米片可以以特定體積分率分散在合適溶劑中，以形成磁性致動(dòng)液晶。這些液晶顯示出出色的磁性響應(yīng)和磁場(chǎng)控制即時(shí)和可逆取向。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，首先合成非磁性FeOOH納米棒ARE，之后在它們的表面上涂布二氧化硅，并且最后將其還原成超順磁或鐵磁鐵氧化物納米棒，超順磁或鐵磁鐵氧化物納米棒在升高的溫度下由二乙二醇封裝在二氧化硅層中。已還原的納米棒可以以特定體積分率(例如，10％)分散在水或極性溶劑中，并且磁性地提供致動(dòng)液晶。根據(jù)體積分率，該液晶可以形成向列相或?qū)恿邢?。這些液晶顯示出出色的磁性響應(yīng)并且證明了磁場(chǎng)控制即時(shí)且可逆取向調(diào)節(jié)。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，為了制造液晶，首先合成非磁性Ni(OH)₂納米片，之后在它們的表面上涂布SiO₂，并且最終通過氫將其還原成Fe₃O₄@SiO₂納米棒。已還原的納米片可以以特定體積分率分散在水或極性溶劑中，并且實(shí)現(xiàn)磁性致動(dòng)液晶。根據(jù)體積分率，該液晶可以形成向列相或柱狀相或六角相。這些液晶顯示出出色的磁性響應(yīng)和磁場(chǎng)控制即時(shí)和可逆取向。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，為了制造液晶，首先合成非磁性納米棒或納米片，之后在它們的表面上涂布聚合物，并且最后將其還原成鐵磁芯@聚合物納米結(jié)構(gòu)。已還原的納米結(jié)構(gòu)可以以特定體積分率分散在水或極性溶劑中，以形成磁性致動(dòng)液晶。這些液晶顯示出出色的磁性響應(yīng)和磁場(chǎng)控制即時(shí)和可逆取向。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，為了在顯示器中應(yīng)用磁性致動(dòng)液晶，但是非限制性實(shí)施方式，將磁性致動(dòng)液晶夾在正交偏振器(cross polarizer)之間以形成裝置。當(dāng)場(chǎng)方向改變時(shí)，該裝置可以調(diào)節(jié)透光率。將交替磁場(chǎng)施加至裝置(例如，5mT)時(shí)，液晶顯示出高于100Hz的光學(xué)切換頻率，這可以比得上商用液晶，因此可以是商用液晶在裝置應(yīng)用中的有前途替代者。濾色器被附著到該裝置，以創(chuàng)建磁性響應(yīng)液晶彩色顯示器的原型。

在一個(gè)示例性但非限制性實(shí)施方式中，為了在偏振圖案打印中應(yīng)用磁性致動(dòng)液晶，但是非限制性實(shí)施方式，將磁性致動(dòng)液晶與可光固化聚合物前體混合，并且將其夾在玻璃之間。將掩模施加至樣本；通過紫外光固化所選區(qū)域中的液晶，并且在磁場(chǎng)的輔助下固定它們的取向。然后，去除該掩模以允許固化剩余區(qū)域中的液晶并且在磁場(chǎng)的輔助下將它們的取向固定在不同方向上。該處理可以多次重復(fù)，以用于創(chuàng)建復(fù)雜圖案。

示例

提供以下示例以說明，但不限制要求保護(hù)的發(fā)明。

示例1

磁性致動(dòng)液晶

液晶的類似液體行為和光學(xué)各向異性催化了現(xiàn)代技術(shù)中的許多重要應(yīng)用。它們的分子順序可以借助諸如溫度改變以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)的外部刺激被操縱，因此能夠?qū)崿F(xiàn)許多技術(shù)進(jìn)步，特定成功示例是由電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的液晶顯示器。雖然常規(guī)液晶可能對(duì)磁場(chǎng)敏感，但是分子種類的低磁化率使實(shí)際應(yīng)用困難，這是因?yàn)橐髽O強(qiáng)磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)分子順序的有效切換(Kneppe等人(1982)Chem.Phys.Lett.87：59；Lemaire等人(2004)Phys.Rev.Lett.93:267801；van den Pol等人(2009)Phys.Rev.Lett.103:160952)。

這里我們論證了鐵磁無機(jī)納米棒可以用作構(gòu)造塊，以構(gòu)建具有光學(xué)特性的液晶，光學(xué)特性可以通過使用相當(dāng)弱的外部磁場(chǎng)操縱納米棒取向來即時(shí)和可逆地被控制。在交替磁場(chǎng)(5mT)下，它們顯示出高于100Hz的光學(xué)切換頻率，其比得上基于電氣切換的商用液晶的性能。開發(fā)這種磁性致動(dòng)液晶打開了朝向各種應(yīng)用的大門，各種應(yīng)用可以從磁性操縱的即時(shí)和無接觸性質(zhì)受益(Yang和Wu，F(xiàn)undamentals of liquid crystal devices.Wiley SID series in display technology(John Wiley,Chichester；Hoboken,NJ,2006),pp.xvi,378p；Boamfa等人(2005)Adv.Mater.17:610)。

使用外部磁場(chǎng)有效地切換液晶的光學(xué)特性仍是大挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)嘗試了將鐵或鐵磁材料直接結(jié)合到液晶中(Fabre等人(1990)Phys.Rev.Lett.64:539；Vallooran等人(2011)Adv.Mater.23:3932；Cordolyiannis等人(2009)Phys.Rev.E 79)，但是通常要求長(zhǎng)交互時(shí)間來感應(yīng)均勻分子配向。更簡(jiǎn)單的策略是例如通過將稀土金屬離子摻雜到液晶分子中(Binnemans等人(2000)J.Am.Chem.Soc.122:4335)或者通過開發(fā)具有較高磁化率的另選無機(jī)構(gòu)造塊(Hijnen和Clegg(2012)Chem.Mater.24:3449)，來增強(qiáng)液晶的組成的固有磁特性。然而，大多數(shù)這種研究限于順磁性材料，其僅可以在極強(qiáng)外部磁場(chǎng)(>1T)中配向。就這一點(diǎn)而言，直接使用鐵或鐵磁無機(jī)材料表示設(shè)計(jì)磁性響應(yīng)液晶的最佳解決方案，這是因?yàn)樗鼈兙哂懈叽呕什⑶铱梢钥焖夙憫?yīng)于較弱磁場(chǎng)。在這種系統(tǒng)中，磁性互作用能而不是在涉及反磁性/順磁性材料的情況下的向列電勢(shì)支配液晶的取向行為，使得可以按照所要求的場(chǎng)強(qiáng)度的幅值減小的順序但是以高磁性排序效率有效地執(zhí)行取向控制和光學(xué)切換。盎薩格(Onsager)在他的創(chuàng)始工作中理論上預(yù)測(cè)了純熵制度中的長(zhǎng)硬棒的自發(fā)向列排序(盎薩格(1949)AnnN.Y.Acad.Sci.51:627)，仍然留下開發(fā)用于各向異性成形的磁性納米結(jié)構(gòu)的受控合成的剩余挑戰(zhàn)，并且更重要地是，它們?cè)谝后w分散時(shí)的有效穩(wěn)定性，這是因?yàn)榫哂袃舸排紭O矩的顆粒通常由于磁性偶極-偶極交互而聚集。

關(guān)于無機(jī)液晶的研究限于分子種類或高多分散盤和棒形無機(jī)膠質(zhì)，諸如三水鋁礦(Al(OH)₃)和勃姆石(AlO(OH))薄片(van der Beek和Lekkerkerker(2004)Langmuir 20)8582)、板狀綠土粘土(Gabriel等人(1996)J.Phys.Chem.100:11139)、石墨烯片(Behabtu等人(2010)Nat.Nano.5:406)、針鐵礦納米棒(Lemaire等人(2004)The Europ.Phy.J.E 13:291)、GdPO₄和LaPO₄納米棒(Kim等人(2012)Adv.Funct.Mater.22:4949)或CdSe的半導(dǎo)體納米棒(Li等人(2002)Nano.Lett.2:557)。具有均勻尺寸、良好限定形狀和良好溶液分散性的磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)可以使用各種溶液相和氣相沉積法來合成。我們還可以設(shè)計(jì)間接策略，這些間接策略涉及將非磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)制備為前體，表面鈍化以增強(qiáng)膠質(zhì)穩(wěn)定性，并且然后將前體轉(zhuǎn)變成磁性各向異性納米結(jié)構(gòu)。作為一個(gè)示例，我們選擇FeOOH納米棒作為起始材料，其可以借助水解反應(yīng)容易地制備。納米棒的代表性透射電子顯微鏡(TEM)圖像在圖1的畫面a中示出。FeOOH納米棒還借助溶膠凝膠工藝涂布有一層二氧化硅，并且然后在220℃下通過二乙二醇被還原成Fe₃O₄。如圖1的畫面b中所示，產(chǎn)品保持良好限定的棒形形態(tài)，平均長(zhǎng)度是1.5μm并且直徑是200nm。磁性測(cè)量確認(rèn)Fe₃O₄納米棒的鐵磁性質(zhì)，示出了18emu/g的飽和磁化強(qiáng)度和300Oe的矯頑力。表面二氧化硅層在穩(wěn)定磁性納米棒的膠質(zhì)分散中扮演重要角色：其充當(dāng)物理勢(shì)壘，以使磁芯彼此分離，削弱它們的磁性偶極-偶極交互作用并且防止它們聚集。二氧化硅表面上豐富的羥基提供足夠長(zhǎng)距離靜電排斥和短距離溶劑化力，以用于穩(wěn)定磁性納米棒，準(zhǔn)許它們?cè)谥T如水和醇的各種極性溶劑中的優(yōu)秀分散性。

在施加外部磁場(chǎng)時(shí)，磁性納米棒沿著場(chǎng)方向配向它們本身，這產(chǎn)生形成液晶所需的取向順序。因?yàn)榧{米棒的平均尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小角度X射線散射測(cè)量的檢測(cè)限制，在磁場(chǎng)中溶解樣本的晶體結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)。允許我們直接觀察納米棒的配向的另選方法是將納米棒固定在聚合物基體中。在這種情況下，F(xiàn)e₃O₄@SiO₂納米棒以10％的體積分率(Φ)在UV可固化聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)樹脂中分散。在外部磁場(chǎng)下，使分散液暴露于UV光以開始聚合。此后，切割聚合后的固體，并且使用掃描電子顯微鏡(SEM)來檢查其截面。如圖1的畫面d所示，可以觀察到納米棒的均勻配向，這確認(rèn)導(dǎo)致液晶特性的納米棒的取向順序，但是通過使用該方法仍然難以解決位置順序。圖1的畫面e示出了為從1％至10％的不同體積分率的Fe₃O₄@SiO₂納米棒的水分散液的偏振光學(xué)顯微鏡(POM)圖像，清楚地指示了隨著體積分率增加從各向同性相到更有序向列相的轉(zhuǎn)變，并且確認(rèn)了分散液的液晶行為。

然后，我們論證了通過磁場(chǎng)對(duì)這種液晶的光學(xué)調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)納米棒的取向隨著磁場(chǎng)的方向而變化，這導(dǎo)致在POM下的視覺改變。要注意的是，除非以其它方式指定，該工作中使用的磁場(chǎng)的強(qiáng)度被固定在～10G。透射通過夾在正交偏振器之間的液晶的光的強(qiáng)度可以通常被描述為：

I＝I₀sin²(2α)sin²(πΔnL/λ) (1)

其中，I₀是穿過第一偏振器的光的強(qiáng)度；α是偏振器的透射軸與液晶的長(zhǎng)軸之間的角度；Δn是沿著針對(duì)以特定角度配向的液晶的長(zhǎng)軸和短軸的折射指數(shù)的差；L是樣本厚度；并且λ是入射光的波長(zhǎng)。樣本分散液的雙折射率被測(cè)量為0.15，并且不顯示隨著場(chǎng)強(qiáng)度增加的明顯改變，這指示納米棒的良好配向。當(dāng)場(chǎng)方向與偏振器平行或垂直時(shí)，α等于0或90°，這導(dǎo)致黑色光學(xué)視野(圖2的畫面a、c)。隨著場(chǎng)方向相對(duì)于偏振器轉(zhuǎn)變到45°，α改變?yōu)?5°，使得根據(jù)等式1強(qiáng)度達(dá)到最大值，這導(dǎo)致明視野，如圖2的畫面b和d中所示。相反，如圖2的畫面e-h中所指示的，相同樣本的對(duì)應(yīng)明視場(chǎng)光學(xué)顯微鏡圖像響應(yīng)于磁場(chǎng)的方向的改變不呈現(xiàn)視野的暗度的明顯差別。

磁性液晶可以快速地響應(yīng)于沿外部磁場(chǎng)的方向的改變。視頻證明了液晶在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的連續(xù)光學(xué)切換。為了獲得其切換頻率的定量理解，我們研究了在高頻交替磁場(chǎng)下的液晶的光學(xué)特性。在施加磁場(chǎng)時(shí)，納米棒由于從一個(gè)方向到相反方向的場(chǎng)極性的快速切換而振蕩(Zorba等人(2010)J.Phys.Chem.C 114:17868)。因?yàn)榧{米棒的取向從與偏振器的透射軸平行的平衡位置臨時(shí)移位，所以激光束穿過正交偏振器并且給出可檢測(cè)信號(hào)。圖3的畫面a中的黑色曲線指示該液晶呈現(xiàn)出對(duì)交替5mT場(chǎng)的快速響應(yīng)。該透射率在0.01s內(nèi)對(duì)應(yīng)于100Hz的切換頻率強(qiáng)烈改變，而在控制實(shí)驗(yàn)中，在不存在液晶樣本(紅色曲線)時(shí)，未觀察到透射率改變。

基于無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的液晶的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是方便固定取向順序的可能性。這里，我們還論證了通過將磁性液晶與光刻工藝組合，可以方便地制造用各種光學(xué)偏振圖案化的薄膜。如圖4的畫面a示意性地示出的，首先將包含磁性納米棒和PEGDA樹脂的液晶溶液夾在蓋玻片與載玻片之間以形成液膜。然后，將光掩模放置在樣本的頂部上，之后施加磁場(chǎng)。在暴露于UV光時(shí)，未覆蓋區(qū)域中的納米棒的取向在膜的平面內(nèi)沿著特定方向被固定。然后，去除光掩模，并且在存在從初始場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)45°(平面中)的磁場(chǎng)時(shí)，樣本再次暴露于UV光。最后，我們獲得了具有偏振圖案的薄膜，顯示出對(duì)偏振光的不同透射率。圖4的畫面b-d顯示在應(yīng)用不同圖案之后的已制備樣本的POM圖像。在這些情況下，偏振器的透射軸被設(shè)置為與初始場(chǎng)方向平行。首次暴露期間被固化的區(qū)域在POM下看起來黑暗，這由于納米棒相對(duì)于偏振器的透射軸的平行布置，而第二次暴露期間被固化的區(qū)域是明亮的，這是因?yàn)樗屑{米棒相對(duì)于偏振器的透射軸取向?yàn)?5°。放大后的明視場(chǎng)光學(xué)顯微鏡圖像在圖4的畫面e中示出，其強(qiáng)調(diào)納米棒在明亮(左)和黑暗(右)區(qū)域(由虛線分離)的邊界處的配向，并且清楚地確認(rèn)兩個(gè)取向之間的45°角。

改變納米棒相對(duì)于偏振器的透射軸的取向允許方便地調(diào)制透射強(qiáng)度。如圖5的畫面a-d中的極限情況下描繪的，將偏振器的透射軸移動(dòng)為與第二場(chǎng)的方向平行完全顛倒黑暗區(qū)域和明亮區(qū)域，而在它們的明視場(chǎng)光學(xué)圖像(圖5的畫面e和f)下幾乎不能觀察到對(duì)比度。在圖5的畫面g中，我們描繪了測(cè)量得到的透射率對(duì)納米棒的取向與偏振器的透射軸之間的角度的依賴性，其根據(jù)等式1。通過在光刻處理期間在不同區(qū)域中控制納米棒的相對(duì)取向，可以完全調(diào)制膜的偏振光的透射率或因此其在POM下的亮度。圖5的畫面h顯示出由多步驟光刻工藝制造的、在不同區(qū)域中具有變化亮度的單個(gè)膜，其中，磁場(chǎng)相對(duì)于偏振器的透射軸從0°逐漸移動(dòng)至45°。圖案的偏振依賴透射率可以直接應(yīng)用在防偽裝置中。有趣地是，如果我們僅執(zhí)行第一固化工藝，則未固化區(qū)域仍然處于液相，使得納米棒的取向可以仍然被磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，這允許圖案與背景之間的對(duì)比度的連續(xù)改變。

根據(jù)所施加的外部場(chǎng)的方向，液晶改變光的偏振，并且由此能夠控制透過它們的光的強(qiáng)度。光學(xué)切換測(cè)試指示該液晶對(duì)外部磁場(chǎng)的方向改變非常敏感，并且展示出0.01s內(nèi)的即時(shí)響應(yīng)。磁性納米棒還可以分散在UV可固化樹脂中，以制造薄膜液晶，其取向可以通過組合磁性取向和光刻工藝完全被固定或在所選區(qū)域中被固定，這允許創(chuàng)建不同偏振的圖案和控制特定區(qū)域中的透光率。

期望磁性致動(dòng)液晶提供用于制造可以廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中的新光學(xué)裝置(諸如顯示器、波導(dǎo)、致動(dòng)器、光學(xué)調(diào)制器和防偽特征)的新平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)

FeOOH納米棒的合成：

FeOOH納米棒的合成基于具有很小改性的先前報(bào)告。典型地，將7.776克的無水FeCl₃溶解在80mL水中。將溶液添加到450μL的37％HCl中，并且然后以11000rpm被離心3分鐘，以便去除未溶解的沉淀物。純化后的溶液在具有回流的100mL三脖燒瓶中被加熱到98℃，然后維持16個(gè)小時(shí)。固態(tài)產(chǎn)物在反應(yīng)之后通過離心分離被收集，并且用水清洗多次。

FeOOH納米棒的二氧化硅涂布：

將30mg的已制備FeOOH納米棒分散在20ml的水中，并且添加1mL 0.1M PAA溶液，以用于納米棒的表面改性。在過夜攪拌之后，納米棒通過離心分離被收回并且重新分散在3mL H₂O中。然后添加1mL的氨溶液，之后添加20mL乙醇和100μL的TEOS。1個(gè)小時(shí)之后，涂布有二氧化硅的納米棒通過離心分離被收集，用水清洗多次，并且重新分散在2mL的水中。

FeOOH@SiO₂納米棒到Fe₃O₄@SiO₂納米棒的轉(zhuǎn)變：

憑借氮的保護(hù)，將60mL的二乙二醇加熱到220℃，將2mL的FeOOH@SiO₂分散液添加到60mL的二乙二醇?；旌衔锏念伾珡狞S色變?yōu)楹稚?，并且最終變?yōu)楹谏?。轉(zhuǎn)變通?；ㄙM(fèi)24個(gè)小時(shí)，之后，磁性納米棒通過離心分離被收集，用乙醇清洗多次，并且分散在5mL的水中。

將Fe₃O₄@SiO₂納米棒組裝到液晶中：

將已還原的Fe₃O₄@SiO₂納米棒通過磁性分離三次被進(jìn)一步純化。然后，將它們濃縮到10％的體積分率，以允許液晶的形成。具有不同體積分率的分散液還由相同過程來制備。

液晶的光聚合：

制備7：3的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA，Mn：700)與水的混合溶液。將已還原的Fe₃O₄@SiO₂納米棒分散在混合溶液中并且通過磁性分離三次被純化。然后，將溶液濃縮到10％的體積分率。將光引發(fā)劑以5％的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加到溶液中。為了進(jìn)行光聚合，每次使用5μL的溶液，夾在一個(gè)蓋玻片與一個(gè)載玻片之間，并且然后暴露在uv光下20秒。

將理解，這里描述的示例和實(shí)施方式僅用于說明目的，并且鑒于此的各種修改和改變將被呈現(xiàn)給本領(lǐng)域技術(shù)人員，并且包括在該申請(qǐng)的精神和范圍以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。這里引用的所有公開、專利和專利申請(qǐng)為了所有目的通過引用全部結(jié)合于此。