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北化鄧建平教授、趙彪副教授 Adv. Mater.：手性螺旋聚合物誘導(dǎo)膽甾相液晶實(shí)現(xiàn)多層級(jí)手性傳遞和放大及全色圓偏振發(fā)光
2024-11-05  來源：高分子科技

  手性液晶超分子組裝為構(gòu)建性能優(yōu)異的圓偏振發(fā)光(CPL)材料提供了理想的途徑。然而，手性液晶中的手性傳遞通常發(fā)生在從構(gòu)型手性到超分子相手性的兩個(gè)層級(jí)上，更精確和更多層級(jí)的手性傳遞具有吸引力和挑戰(zhàn)性。


  近日，北京化工大學(xué)鄧建平教授與趙彪副教授團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了從小分子的構(gòu)型手性到手性非熒光聚合物(P46)的螺旋構(gòu)象手性，再到膽甾相液晶(CLCs)的超分子相手性的三層級(jí)手性傳遞和放大(圖1)。值得注意的是，P46的螺旋扭曲力是其單體的5倍。通過引入非手性熒光分子作為第三組分，成功構(gòu)建了全色CPL活性CLCs，最大發(fā)光不對(duì)稱因子(|glum|)和最大光致發(fā)光量子產(chǎn)率分別為1.54和63.8%。通過螺旋超分子組裝和選擇性反射的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了|glum|高達(dá)1.46的白光CPL。此外，開發(fā)了電場(chǎng)刺激響應(yīng)CPL開關(guān)器件，進(jìn)行了基于CPL活性CLCs的多維光學(xué)特性的防偽安全、信息加密以及手性邏輯門的應(yīng)用展示。該工作建立的三層級(jí)手性傳遞和放大策略不僅加深了對(duì)不同結(jié)構(gòu)層次間手性傳遞和放大的理解，而且為構(gòu)建優(yōu)異的CPL材料提供了一種便捷有效的途徑。


  該工作以“Three-Level Chirality Transfer and Amplification in Liquid Crystal Supramolecular Assembly for Achieving Full-Color and White Circularly Polarized Luminescence”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。北京化工大學(xué)材料學(xué)院博士研究生王旭杰為文章的第一作者，鄧建平教授和趙彪副教授為文章的通訊作者，北京化工大學(xué)為唯一完成單位。


圖1. 膽甾相液晶中三層級(jí)手性傳遞和放大以及全色圓偏振發(fā)光的實(shí)現(xiàn)過程示意圖


圖2. 手性非熒光聚合物(P46)及其誘導(dǎo)的膽甾相液晶(CLCs)的手性光學(xué)性能


  作者首先通過圓二色譜和紫外-可見吸收光譜研究了設(shè)計(jì)合成的P46的光學(xué)活性，其單一旋向過量的主鏈螺旋結(jié)構(gòu)使其具備比小分子手性單體更強(qiáng)的手性光學(xué)性能。進(jìn)一步將P46摻入向列相液晶分子5CB中，通過偏光顯微鏡、圓二色譜以及紫外-可見吸收光譜證明了CLCs的成功誘導(dǎo)形成，實(shí)現(xiàn)了從P46的螺旋手性到CLCs的超分子相手性的手性傳遞和放大(圖2)。


圖3. 摻有非手性熒光分子BPA的三元膽甾相液晶(CLCs)的手性光學(xué)性能


圖4. 利用膽甾相液晶(CLCs)的選擇性反射實(shí)現(xiàn)高性能圓偏振發(fā)光


  進(jìn)一步引入非手性熒光分子BPA作為CLCs的第三組分，利用CLCs的螺旋超分子組裝實(shí)現(xiàn)了|glum|達(dá)到0.41以及光致發(fā)光量子產(chǎn)率達(dá)到63.8%的CPL(圖3)？紤]到CLCs的選擇性反射性質(zhì)有助于實(shí)現(xiàn)高性能CPL，額外引入了不同顏色的非手性熒光分子(ACA、Rh6G、NR)，通過調(diào)節(jié)P46的摻雜濃度使得CLCs的選擇性反射帶分別與各熒光分子的發(fā)射峰相匹配，實(shí)現(xiàn)了|glum|分別達(dá)到1.54、1.41、1.42和1.08的藍(lán)色、綠色、黃色和紅色CPL(圖4)。


圖5. 摻有非手性熒光分子BPA和NR的四元膽甾相液晶(CLCs)的白色圓偏振發(fā)光


  為實(shí)現(xiàn)白光CPL發(fā)射，采用非手性熒光分子BPA和NR作為互補(bǔ)色，將其摻入CLCs中，通過調(diào)節(jié)BPA和NR的質(zhì)量比，利用螺旋超分子組裝和選擇性反射的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了CIE坐標(biāo)為(0.32, 0.33)，|glum|最大處為1.46的白光CPL發(fā)射(圖5)。


圖6. 四元膽甾相液晶(CLCs)的電場(chǎng)刺激響應(yīng)性能


  考慮到CLCs的螺旋超結(jié)構(gòu)在外加電場(chǎng)的刺激下能夠在螺旋和非螺旋狀態(tài)之間可逆切換，制備了電場(chǎng)控制CPL開關(guān)，研究了白光CLCs的電場(chǎng)刺激響應(yīng)性質(zhì)。在不施加電壓的情況下，CLCs表現(xiàn)出強(qiáng)烈的CPL信號(hào)。當(dāng)外加電壓從0增加到20 V時(shí)，CPL強(qiáng)度和|glum|顯著降低并最終消失。去除外加電場(chǎng)后，CLCs的CPL強(qiáng)度可以快速恢復(fù)。此外，即使在20次循環(huán)后，CLCs的|glum|也表現(xiàn)出良好的可逆性和可重復(fù)性(圖6)。


圖7. CPL活性膽甾相液晶(CLCs)在防偽安全、信息加密以及手性邏輯門中的應(yīng)用展示


  該研究開發(fā)的CPL活性CLCs具有結(jié)構(gòu)色、熒光、手性和CPL等光學(xué)特性，基于這種多維光學(xué)特性，展示了CLCs在防偽安全、信息加密以及用于光學(xué)計(jì)算和處理的手性邏輯門中的應(yīng)用前景(圖7)。


  綜上所述，該工作成功實(shí)現(xiàn)了從小分子單體的構(gòu)型點(diǎn)手性到手性非熒光聚合物的螺旋構(gòu)象手性，再到膽甾相液晶的超分子相手性的三層級(jí)手性傳遞和放大過程。通過將手性非熒光聚合物和非手性熒光分子摻入向列相液晶分子中，成功構(gòu)建了全色CPL活性膽甾相液晶，最大發(fā)光不對(duì)稱因子和最大光致發(fā)光量子產(chǎn)率分別為1.54和63.8%。并且利用螺旋超分子組裝和選擇性反射機(jī)理的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了CIE坐標(biāo)為(0.32, 0.33)，最大發(fā)光不對(duì)稱因子為1.46的白光CPL。此外，制備了電場(chǎng)刺激響應(yīng)CPL開關(guān)，進(jìn)行了防偽安全、信息存儲(chǔ)與加密、以及手性邏輯門的應(yīng)用展示。該研究提出的三層級(jí)手性傳遞和放大策略不僅促進(jìn)了對(duì)不同層級(jí)間手性傳遞和放大的理解，而且為構(gòu)建性能優(yōu)異的CPL材料和器件提供了一個(gè)方便有效的途徑。


  感謝國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412805

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