近日，黃維院士、安眾福教授課題組報(bào)道了一種多晶型依賴的動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)有機(jī)磷光材料，揭示了晶體中分子堆積形態(tài)與動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)有機(jī)磷光的內(nèi)在關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了其在智能化電子領(lǐng)域中的應(yīng)用。相關(guān)成果以“Polymorphism-Dependent Dynamic Ultralong Organic Phosphorescence”為題發(fā)表于Research上（Research, 2020, 8183450, DOI: 10.34133/2020/8183450）。
刺激響應(yīng)材料，又稱智能材料，是指其物理性質(zhì)隨外界刺激（如光、熱、力等）而變的一類(lèi)材料，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)加密、信息存儲(chǔ)、生物傳感等領(lǐng)域。最近，光活化的動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)有機(jī)磷光材料——磷光性質(zhì)隨光照時(shí)間而變——逐漸進(jìn)入人們視野，這為開(kāi)發(fā)新型刺激響應(yīng)材料開(kāi)辟了新的方向。然而，這一新型材料的內(nèi)在發(fā)光機(jī)理仍不明確，嚴(yán)重阻礙了新型智能材料的開(kāi)發(fā)。
迄今為止，僅在晶體條件下觀測(cè)到有機(jī)材料的光活化動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)磷光現(xiàn)象，也就是說(shuō)，這一現(xiàn)象與晶體中的分子堆積息息相關(guān)。因此，迫切需要構(gòu)建多晶型的有機(jī)材料，研究其動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)磷光性質(zhì)在不同光活化時(shí)間下的差異，揭示分子堆積與動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)有機(jī)磷光的內(nèi)在關(guān)系，指導(dǎo)新型動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)有機(jī)磷光材料的開(kāi)發(fā)。
近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、安眾福教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種高度扭曲的分子PyCz，通過(guò)簡(jiǎn)單的溶劑揮發(fā)法，得到了該分子的塊狀PyCz-B和針狀PyCz-N兩類(lèi)晶體。紫外燈照射后，這兩種晶體均具有光激活的動(dòng)態(tài)磷光現(xiàn)象。不同的是，光照3秒后，便可明顯的觀測(cè)到PyCz-B的超長(zhǎng)余輝現(xiàn)象，而PyCz-N卻需要6分鐘的光激活（圖1）。
圖1 PyCz的兩種晶體展現(xiàn)出不同的光激活速度
兩種晶體的光物理性質(zhì)研究表明，隨光照時(shí)間增長(zhǎng)，磷光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，磷光壽命顯著延長(zhǎng)。更為重要的是，PyCz-B晶體的光激活速度和失活速度要明顯快于PyCz-N（圖2），這為揭示分子排布與動(dòng)態(tài)超長(zhǎng)磷光現(xiàn)象的內(nèi)在關(guān)系提供了重要依據(jù)。
圖2 PyCz兩種晶體的動(dòng)態(tài)光物理性質(zhì)
進(jìn)一步晶體分析顯示，光激活后晶體中分子排布變得更加緊密，這將大大限制分子運(yùn)動(dòng)，抑制非輻射躍遷過(guò)程，從而使得磷光壽命延長(zhǎng)。此外，PyCz-N晶體中分子間的相互作用遠(yuǎn)強(qiáng)于PyCz-B晶體，緊密的堆積使得分子不易發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致其較慢的動(dòng)態(tài)光活化/失活速度。理論計(jì)算表明PyCz-N激活前后的能量差更大（圖3），進(jìn)一步證實(shí)了上述推論。
圖3 多晶型光激活動(dòng)態(tài)磷光的機(jī)理研究
最后，利用PyCz光激活動(dòng)態(tài)磷光的刺激響應(yīng)性質(zhì)，將該材料成功應(yīng)用于邏輯門(mén)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中（圖4）。
圖4 光激活動(dòng)態(tài)磷光材料在邏輯門(mén)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用
基于同一分子多晶型的光激活動(dòng)態(tài)磷光的研究，不僅能夠清晰的揭示分子排布與光激活動(dòng)態(tài)磷光性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制，為具有磷光性質(zhì)的有機(jī)智能材料的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)，而且能夠拓展該類(lèi)材料的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，這為開(kāi)發(fā)新型智能材料提供了機(jī)遇。
論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2020/8183450/
