中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在當(dāng)前傳感技術(shù)快速發(fā)展的背景下，溫度作為關(guān)鍵物理參數(shù)，其精準(zhǔn)檢測需求覆蓋生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)智能監(jiān)測等多個領(lǐng)域。液晶行業(yè)材料憑借獨(dú)特的光學(xué)特性，在溫度傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，其中膽甾相液晶(CLC)因具備光子帶隙特性和手性螺旋結(jié)構(gòu)，成為構(gòu)建高靈敏度光學(xué)傳感器的重要選擇。近年來，行業(yè)內(nèi)圍繞液晶與光纖結(jié)合的溫度傳感技術(shù)展開大量探索，不同液晶單體與手性劑的復(fù)合體系、光纖探針的制備工藝以及實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)的優(yōu)化，不斷推動液晶基光纖溫度傳感器向高性能、實(shí)用化方向發(fā)展。以下是2025年液晶行業(yè)技術(shù)分析。

  一、液晶與光纖結(jié)合的溫度傳感原理及研究背景

  膽甾相液晶(CLC)擁有獨(dú)特的選擇性反射特性和手性螺旋結(jié)構(gòu)，在光學(xué)傳感領(lǐng)域表現(xiàn)出高靈敏度、多刺激響應(yīng)等優(yōu)勢，是構(gòu)建先進(jìn)光學(xué)傳感器的理想材料。CLC 材料能夠選擇性反射與自身螺距相匹配特定波長的光，其螺距長度(P)與手性劑的濃度(C)和螺旋扭曲力(HTP)成反比，關(guān)系式為 P=1/(HTP?C);中心反射波長(λ?)遵循 λ?=ηP(其中 η 為液晶的平均折射率)，這種固有的波長選擇性為光學(xué)傳感提供了天然的刺激響應(yīng)檢測機(jī)制。

  《2025-2030年全球及中國液晶行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，溫度對 CLC 選擇性反射波長具有顯著且靈敏的調(diào)控作用，隨著溫度升高，分子間相互作用力發(fā)生變化，導(dǎo)致螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲或解旋，螺距的變化會直接使選擇性反射的中心波長產(chǎn)生 “藍(lán)移” 或 “紅移” 現(xiàn)象;同時，液晶的平均折射率本身也具有溫度依賴性，進(jìn)一步協(xié)同影響反射波長的變化。通過精確監(jiān)測 CLC 選擇性反射波長的位移，可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的高靈敏度、非接觸式光學(xué)傳感。

  此前，行業(yè)內(nèi)已開發(fā)多種類型的溫度傳感器，例如利用鋁合金膜片與光纖構(gòu)成漏斗式的法布里 - 珀羅光纖傳感器、在藍(lán)寶石晶體中制備單模凹陷包層波導(dǎo)和布拉格光柵集成結(jié)構(gòu)的傳感器、基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)增敏空芯微瓶諧振腔的高靈敏溫度傳感器等，這些傳感器均利用不同光纖結(jié)構(gòu)和溫敏材料實(shí)現(xiàn)溫度傳感。但當(dāng)前研究忽視了液晶分子結(jié)構(gòu)的影響(如聯(lián)苯環(huán) / 氰基 / 環(huán)己烷的機(jī)制差異)，系統(tǒng)研究初始選擇性反射波長(即相同初始螺距)的 CLC 對溫度的響應(yīng)特性(如靈敏度差異、線性范圍)仍需深入探索，這對根據(jù)特定應(yīng)用需求優(yōu)化設(shè)計(jì)和篩選 CLC 傳感材料至關(guān)重要。

  二、液晶與手性劑實(shí)驗(yàn)材料選擇及光纖探針制備

  實(shí)驗(yàn)選用的向列相液晶單體為 5CB、5OCB、5ZCB、5HCB，手性摻雜劑為 R811、S811、R2011、S2011、S5011、R5011。為制備用于溫度傳感的多種 CLC，具體配制方式如下：向液晶混合物(5CB+5OCB，質(zhì)量比 1:1 混合)中分別添加 R811 和 S811(均為 18wt%)、R2011 和 S2011(均為 18wt%)以及 R5011 和 S5011(均為 2.2wt%);液晶混合物(5CB+5ZCB，質(zhì)量比 1:1 混合)和液晶混合物(5CB+5HCB，質(zhì)量比 1:1 混合)中添加的手性劑濃度與上述一致。

  所有 CLC 均在 20℃環(huán)境下配制，添加手性劑的比例旨在使 CLC 的螺距保持一致(反射波長都處于 700nm)，以便探究摻雜不同手性劑的 CLC 反射中心波長對溫度的敏感特性。在液晶混合物中添加不同手性劑后，將其水浴加熱(80℃)并超聲振蕩 20 分鐘，確保液晶和手性劑充分混合。

  光纖探針的制備流程如下：利用熔接機(jī)先將內(nèi)徑為 75 微米的石英毛細(xì)微管(外徑 130 微米，長 140 微米)熔接在光纖后，再將 30 微米的石英毛細(xì)微管(外徑 125 微米，長 120 微米)熔接，隨后利用錐形毛細(xì)微管依次將甘油和 CLC 注入光纖端，最終用紫外固化膠密封，防止外界化學(xué)氣體對液晶材料產(chǎn)生干擾。

  三、液晶溫度傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置及檢測條件

  實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光源為鹵素?zé)艄庠?輸入功率 9W)，光纖分路器的輸出端連接溫度探頭并位于水浴溫度控制系統(tǒng)(溫度控制精度≤0.5℃)中。受溫度影響的光譜信號通過接收端口收集，最終傳輸?shù)焦饫w光譜分析儀(光譜范圍 300~1100nm，分辨率 0.14nm)。將液晶注入光纖探針后，在亮場顯微鏡和偏振光學(xué)顯微鏡下可觀察到相應(yīng)顯微圖像，由于石英毛細(xì)微管中存在甘油，會使 CLC 取向排列并形成徑向結(jié)構(gòu)，在偏振顯微鏡下顯示出馬耳他十字的形狀。

  測量溫度時，利用恒溫控制箱(步長 0.2℃/min，控溫精度 ±0.1℃/min)精確控制溫度，保證光纖在恒溫箱內(nèi)測溫的穩(wěn)定性。此外，配制的 CLC 在 20℃以下會出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致 CLC 反射帶消失，因此所有液晶均在 20℃開始測量。

  四、不同液晶體系溫度響應(yīng)特性的討論與分析

  (一)5CB/5OCB 液晶體系與手性劑復(fù)合的溫度響應(yīng)

  光纖與膽甾相液晶(CLC)材料結(jié)合可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的溫度檢測，CLC 光譜均清晰展現(xiàn)出溫度誘導(dǎo)的反射峰顯著偏移現(xiàn)象。以 CLC?CB/5OCB+R811 為例，在 20℃到 38℃的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了約 85nm 的藍(lán)移，且反射峰顯著展寬、反射強(qiáng)度較穩(wěn)定，體現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和高靈敏度。

  5CB/5OCB 混合向列相液晶添加不同手性劑后的六種 CLC，在一定溫度范圍內(nèi)均展現(xiàn)出顯著的線性溫度依賴性，反射波長隨溫度升高呈現(xiàn)穩(wěn)定的偏移。添加 R811 和 S811 的 CLC 對溫度具有極高的線性擬合度(R2=0.99)，靈敏度分別為 - 4.06nm/℃和 - 3.67nm/℃，這表明溫度升高導(dǎo)致 CLC 螺距減小(Δλ∝ΔP)。值得注意的是，R811 的靈敏度絕對值高于其鏡像異構(gòu)體 S811，其余四種手性劑(R/S-2011、R/S-5011)雖溫度靈敏度不及 R/S-811，但響應(yīng)規(guī)律相似且均具有較好的線性響應(yīng)，說明 CLC?CB/5OCB+R811 和 CLC?CB/5OCB+S811 這兩種液晶適用于溫度較敏感的光纖溫度傳感器。

  手性劑分子結(jié)構(gòu)的差異是調(diào)控溫度敏感性的關(guān)鍵因素，R811 與 S811 的靈敏度差異可能源于其非對稱碳原子的空間構(gòu)型對液晶分子排列的擾動，導(dǎo)致 CLC 螺距減小速率不同。添加六種手性劑的 CLC 對溫度均保持較高的線性度(R2≈0.99)，說明 5CB/5OCB 體系提供了穩(wěn)定的分子相互作用環(huán)境，使 CLC 螺距變化與溫度顯現(xiàn)出穩(wěn)定的線性關(guān)聯(lián)性。此外，添加 R2011 和 S2011 的 CLC 在 40℃前反射中心波長紅移，40℃后反射中心波長藍(lán)移，這是由于較高溫度導(dǎo)致 CLC 逐漸接近清亮點(diǎn)溫度，使 CLC 由膽甾相轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲韵唷?

  (二)5CB/5ZCB 液晶體系與手性劑復(fù)合的溫度響應(yīng)

  與 5CB/5OCB 液晶混合物不同，含強(qiáng)極性氰基(-CN)的 5ZCB 稍稍放大了溫度敏感性。除添加 R5011 和 S5011 的 CLC 外，其他四種 CLC 的反射波長在 20–45℃內(nèi)幾乎呈現(xiàn)先紅移后藍(lán)移的現(xiàn)象，在接近相變點(diǎn)附近這 4 種 CLC 的溫度響應(yīng)曲線下降趨勢近乎平行，表明 5ZCB 的氰基可能與手性分子之間相互作用受溫度影響逐漸變大，即 5ZCB 分子的強(qiáng)偶極作用使螺旋結(jié)構(gòu)對熱擾動極為敏感。

  值得注意的是，添加不同手性劑后的所有 CLC 對溫度的靈敏度差異并不明顯，這可能是由于 5ZCB 的存在削弱了手性劑結(jié)構(gòu)隨溫度變化的特異性影響，與 5CB/5OCB 液晶混合體系中添加 R811 與 S811 形成的 CLC 對溫度的依賴性形成鮮明對比。氰基的較高極性雖在一定程度上能輕微提升溫度敏感性，卻也引入 CLC 非線性響應(yīng)的相變，例如在 45℃附近添加 S5011 和 R2011 手性劑的這兩種 CLC 溫度敏感曲線會出現(xiàn)輕微拐點(diǎn)，可能是由于相應(yīng) CLC 隨溫度升高臨近清亮點(diǎn)發(fā)生的預(yù)相變行為。以 CLC?CB/5ZCB+S2011 為例，在 20℃到 43℃溫升下先紅移約 10nm 后再藍(lán)移約 15nm，反射峰藍(lán)移表明 CLC 隨著溫度升高逐漸接近其清亮點(diǎn)(從液晶相變?yōu)楦飨蛲韵?;在升溫過程中反射峰形始終保持尖銳，但強(qiáng)度大幅下降，這表明高溫下分子排列有序度降低。

  (三)5CB/5HCB 液晶體系與手性劑復(fù)合的溫度響應(yīng)

  在 5CB/5HCB 混合體系中添加六種手性劑(R/S-811/2011/5011)形成的 CLC，與 5CB/5OCB 體系中相應(yīng) CLC 反射波長隨溫度升高表現(xiàn)出的線性相關(guān)性不同，CLC?CB/5HCB+R811 和 CLC?CB/5HCB+S811 表現(xiàn)出較弱化的波長藍(lán)移趨勢，且中心波長和溫度之間呈現(xiàn)非線性的相關(guān)性。在 20℃–29℃溫度區(qū)間內(nèi)，CLC?CB/5HCB+R811 和 CLC?CB/5HCB+S811 反射中心波長僅偏移了約 13nm，溫度響應(yīng)曲線呈現(xiàn)較平緩的下降趨勢，且兩條曲線幾乎平行。這種現(xiàn)象可能源于 5HCB 分子的環(huán)己烷剛性基團(tuán)，其飽和六元環(huán)結(jié)構(gòu)通過熵彈性效應(yīng)吸收熱能，有效減緩了溫度對 CLC 螺距的擾動，且較高的溫度也會導(dǎo)致液晶分子的無序性。與 5ZCB 氰基的強(qiáng)極性或 5OCB 烷氧鏈的柔性不同，5HCB 分子中環(huán)己烷的構(gòu)象翻轉(zhuǎn)可能消耗了部分熱能，導(dǎo)致分子排列重定向，從而抑制了螺距減小的速率。此外，手性劑旋向與手性劑烷基鏈長度的差異在溫度敏感性方面并不明顯，進(jìn)一步印證了分子剛性基團(tuán)受溫度影響而發(fā)生微觀擾動的強(qiáng)屏蔽作用。盡管這類液晶的溫度敏感性與其他液晶相比較弱，但 5CB/5HCB 摻雜手性劑后的 CLC 卻展現(xiàn)出獨(dú)特應(yīng)用，例如溫度波動的不敏感特性適用于糖尿病等慢性病的呼氣丙酮長期跟蹤以及其他物理參量的傳感檢測等。同時，向向列相液晶混合物中添加手性劑形成的 CLC 對溫度的響應(yīng)時間也非常迅速，其響應(yīng)時間均 < 1s。

  五、液晶溫度響應(yīng)特性研究結(jié)論與應(yīng)用展望

  膽甾相液晶的溫度響應(yīng)特性由液晶分子結(jié)構(gòu)與手性劑的協(xié)同作用主導(dǎo)。其中，5CB/5ZCB 體系因氰基(-CN)的強(qiáng)極性而產(chǎn)生較高的溫度靈敏度，但較高溫度區(qū)間內(nèi) CLC 的預(yù)相變會限制其在特定領(lǐng)域的應(yīng)用潛力;5CB/5OCB 體系通過溫度對手性劑構(gòu)型的調(diào)控可實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的溫度檢測性能，為工業(yè)溫控提供溫度檢測較高線性的解決方案;5CB/5HCB 體系的環(huán)己烷剛性基團(tuán)則顯著鈍化了 CLC 對溫度的響應(yīng)，這類液晶在整個溫度區(qū)間內(nèi)的穩(wěn)定性與抗干擾特性成為糖尿病呼氣丙酮長期跟蹤應(yīng)用的理想檢測材料。

  通過對三種液晶體系摻雜不同手性劑后形成的 CLC 對溫度敏感特性的探究可知，利用不同液晶單體可以進(jìn)行混合液晶的配制并定向 “編程” CLC 的溫度敏感性。這種規(guī)律為構(gòu)建 “梯度靈敏度” 溫度傳感陣列及多參量集成光纖傳感器提供了材料設(shè)計(jì)基石，并可推動液晶光子器件在生物醫(yī)學(xué)與工業(yè)智能監(jiān)測領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。

  未來，基于液晶行業(yè)的光纖溫度傳感技術(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化液晶混合體系與手性劑的配比，提升傳感器在不同溫度區(qū)間的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，同時結(jié)合更先進(jìn)的光纖制備工藝，拓展其在更多特殊場景下的應(yīng)用，如極端環(huán)境工業(yè)監(jiān)測、高精度生物醫(yī)學(xué)檢測等，為溫度傳感領(lǐng)域的發(fā)展注入新動力。

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