光誘導(dǎo)手性是在自然界和合成材料中的研究熱點,對智能材料的微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響宏觀性質(zhì)的探索具有重要的研究價值。目前,研究者們已報道一些紫外光驅(qū)動分子馬達的合成和應(yīng)用,絕大多數(shù)的分子馬達在光驅(qū)動下展現(xiàn)手性以及螺旋扭曲力的減小,而且紫外光對背景材料和操作人員帶來潛在的有害影響。
針對光驅(qū)動的手性分子馬達,李全教授團隊與合作者通過對偶氮苯分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計,在鄰位上通過柔性碳鏈連接具有軸手性的聯(lián)萘形成小分子環(huán)裝拓撲結(jié)構(gòu)。此分子馬達或開關(guān)在光照驅(qū)動順反異構(gòu)時展現(xiàn)了在不同液晶材料中螺旋扭曲力的增強,而且僅需綠光就可以實現(xiàn)分子馬達的有效順反異構(gòu)。
圖 1. 可見光驅(qū)動可逆順反異構(gòu)的環(huán)裝偶氮苯分子馬達
由于手性分子馬達的光驅(qū)動螺旋扭曲力的增強,該團隊將手性分子加入到液晶材料5CB中 (濃度 0.38 mol%),通過可見光(530nm)的照射,液晶由向列相逐漸轉(zhuǎn)變成膽甾相的指紋態(tài)及油狀條紋態(tài)。
圖2. 可見光誘導(dǎo)液晶從向列相轉(zhuǎn)換到膽甾相的偏光顯微鏡圖
在E7液晶材料中(手性分子濃度為0.69 mol%),通過綠光可以實現(xiàn)液晶螺旋結(jié)構(gòu)在不同取向上的有序排列。例如在圖3中,液晶盒的取向為平面取向,通過光的誘導(dǎo),液晶可以形成有規(guī)律的平面取向的螺旋結(jié)構(gòu),從而顯示出周期條紋以及紅光的衍射條紋。
圖3. (A)光照前的液晶在取向與線偏振片不角度的狀態(tài);(B)在綠光的不同照射時間下形成的周期螺旋條紋的形態(tài);(C)施加2.0伏特的交流電場(1千赫茲)下,在不同光照時間下條紋形態(tài)(右下角插圖為648 nm紅光通過周期條紋的衍射圖案)
此工作為先進光學(xué)智能材料的設(shè)計和研發(fā)提供新的思路,也為主客體功能軟物質(zhì)的深入探索開拓了新的可能性。相關(guān)成果以“Visible-Light-Induced Self-Organized Helical Superstructure in Orientationally Ordered Fluids”為題 (DOI: 10.1002/adma.201902958),發(fā)表于材料領(lǐng)域權(quán)威頂級期刊《Advanced Materials》上。肯特州立大學(xué)高新材料與液晶研究所博士生王昊和博士后Hari K. Bisoyi為共同第一作者,歐洲科學(xué)院院士李全教授為通訊作者。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902958
李全教授科研組網(wǎng)頁:https://www.lcinet.kent.edu/users/qli180/PI/Li.htm
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