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中科大莊濤濤團(tuán)隊(duì) JACS:高品質(zhì)因子和高穩(wěn)定性的圓偏振發(fā)光體系及其在信息加密防偽和智能化織物方向的應(yīng)用
2023-02-07  來源:高分子科技
  近期,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院/合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心莊濤濤團(tuán)隊(duì)利用螺旋共組裝技術(shù),制備了一類由無毒、高質(zhì)量發(fā)光的無機(jī)量子點(diǎn)(QDs)和液晶材料組成的新型圓偏振發(fā)光(CPL)材料,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.39的品質(zhì)因子(FM,綜合評(píng)估材料的發(fā)光不對(duì)稱性和量子產(chǎn)率兩方面性能)。這種CPL材料,具有六種不同刺激響應(yīng)模式,包括光激發(fā)、偏振、溫度、電場(chǎng)、壓力和觀察角度,可用作多模態(tài)響應(yīng)安全材料(MRSM)。在文章中展示了集成防偽系統(tǒng),具備多模式響應(yīng)的交互式/可變信息加密,實(shí)現(xiàn)了高破解難度的防偽效果。并且在進(jìn)一步的研究中將該CPL材料封裝到三層結(jié)構(gòu)的纖維中,構(gòu)建了可以隨著環(huán)境變化,具有顏色適應(yīng)性功能的智能紡織品,擴(kuò)展了材料在柔性智能織物方向的應(yīng)用。該工作以“Multimodal-Responsive Circularly Polarized Luminescence Security Materials”為題發(fā)表在《J. Am. Chem. Soc.》(DOI: 10.1021/jacs.2c13108)。文章第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在讀博士郭啟和碩士張銘江莊濤濤研究員是論文的通訊作者。該研究得到基金委、科技部、中科院、中科大等基金項(xiàng)目支持。 


Figure 1. (A) CPL材料的組成部分:包括QDs(InP/ZnSeS/ZnS)、液晶(5CB)和手性摻雜劑(S811/R811)。(B、C)InP/ZnSeS/ZnS量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析。(D) 5CB(黑色)和S811(藍(lán)色)的紫外吸收光譜。(E)螺旋共組裝工藝形成的CPL材料結(jié)構(gòu)。(F) MRSM的實(shí)拍照片。(G) MRSM可響應(yīng)的外部刺激,包括光激發(fā)、偏振、溫度、電壓、壓力和視角。


  量子點(diǎn)作為新一代的顯示材料,具有優(yōu)異的發(fā)光性能,其中的Ⅲ-Ⅴ族量子點(diǎn)更是因?yàn)槠洳缓k元素,更加安全和環(huán)保;手性液晶因其分子獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu),是常用于誘導(dǎo)手性圓偏振光產(chǎn)生的主體材料(圖1)。但一直來量子點(diǎn)和液晶之間的互溶性和混合體系的穩(wěn)定性都存在較大問題,限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用。研究人員通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)與液晶的高互溶性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性(適宜條件下>100天)。


 Figure 2. (A)MRSM 的POM圖像。(B) MRSM的手性產(chǎn)生。(C–E)InP/ZnSeS/ZnS QDs(C)、S/R811、5CB(D)和MRSM(E)的CD光譜。(F) MRSM的量子產(chǎn)率優(yōu)化。(G) MRSM不同QDs含量的CPL光譜。(H) 圓偏振光不對(duì)稱因子glum值。


  為了實(shí)現(xiàn)材料體系高品質(zhì)因子(圖2),達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求,實(shí)驗(yàn)人員從量子點(diǎn)和手性摻雜劑的使用量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)條件等多個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,最終獲得了0.89的最大|glum|值和高達(dá)0.39的品質(zhì)因子。 


Figure 3. (A,B)封裝在液晶盒中的MRSM的熱致變色行為。隨著溫度的升高和降低,材料在無色(A)和彩色(B)之間切換。(B)中四個(gè)液晶盒的顏色由MRSM的組分重量比決定,并在低溫下顯現(xiàn)。(C)使用與MRSM手性方向相反的偏振眼鏡觀察到的顏色變化。(D)從45°側(cè)視觀察,所有液晶盒的結(jié)構(gòu)色都出現(xiàn)了藍(lán)移。(E)結(jié)構(gòu)色隨著施加電壓的開啟和關(guān)閉而變?yōu)槿榘咨⒒謴?fù)。(F)在紫外光的激發(fā)下,所有材料都發(fā)射明亮綠光。(G)在光激發(fā)與偏振片共同作用下,材料出現(xiàn)亮度差異。


  將MRSM封裝在自制的液晶盒,通過摻雜劑含量調(diào)節(jié),可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色從藍(lán)到紅的可見光全譜范圍調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)外部環(huán)境的控制,可以觀察到MRSM對(duì)多種刺激的響應(yīng)效果,展現(xiàn)了多樣化的加密能力以及在信息加密方向應(yīng)用的巨大潛力(圖3)。 


Figure 4.(A) 構(gòu)建了5×5液晶盒組合陣列(填充MRSM)。Ⅰ:室溫(25 °C)下獲得的無色陣列;II和V:基于不同旋向和重量比的手性摻雜劑構(gòu)建的圓偏振光材料陣列;Ⅲ、 IV、VI和VII:通過左旋和右旋圓偏振片的使用觀察到了互補(bǔ)圖像;Ⅷ:通過365 nm光激發(fā)實(shí)現(xiàn)明亮的綠色發(fā)光;Ⅸ:多色陣列,使用紫外光激發(fā)和偏振片觀察。(B) 自主設(shè)計(jì)的交互式防偽系統(tǒng)控制電路示意圖。(C) 通過施加電壓將液晶盒的結(jié)構(gòu)顏色調(diào)整為乳白色來表示數(shù)字代碼。


  實(shí)驗(yàn)人員以液晶盒為基礎(chǔ),構(gòu)建了一系列5×5液晶盒組合陣列用于展示在防偽應(yīng)用方面加密手段的多樣性(圖4A)。實(shí)驗(yàn)人員還設(shè)計(jì)了外部電路(圖4B)來實(shí)現(xiàn)對(duì)防偽系統(tǒng)的智能化控制,通過施加電場(chǎng)將液晶盒的結(jié)構(gòu)顏色調(diào)整為乳白色來表示數(shù)字代碼,顯示了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中信息的可編程性和交互性(圖4C)。 


Figure 5. (A) 基于MRSM構(gòu)建纖維。(B)不同顏色纖維的實(shí)拍照片。(C) 基于纖維編織成的織物。(D) 織物對(duì)外界刺激的響應(yīng)效果。


  使用多層結(jié)構(gòu)策略制造了由MRSM填充的纖維(圖5A-B),并進(jìn)一步將該纖維制作成織物(圖5C)。這種織物可以作為一種智能標(biāo)簽,在外部環(huán)境變化下顯示出顏色的特殊適應(yīng)性。它通過溫度調(diào)節(jié)顯示透明或綠色(圖5D中的上部?jī)蓚(gè)面板),明暗對(duì)比(偏振片觀察,下部左側(cè))或亮綠色(光激發(fā)條件,下部右側(cè))。


  基于該材料體系多樣化的刺激響應(yīng)能力,可以通過對(duì)外部條件的控制來改變其想外界所展現(xiàn)出的信息。如通過溫度,偏光片或通電/斷電時(shí)材料結(jié)構(gòu)色的失去和恢復(fù)現(xiàn)象,來實(shí)現(xiàn)交互式信息加密;或者構(gòu)建智能織物,在不同溫度下顯示不同的結(jié)構(gòu)色,提醒穿戴者環(huán)境溫度的變化。這些高質(zhì)量新型CPL材料將在未來的智能信息加密-解密和3D顯示中發(fā)揮巨大作用。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c13108


莊濤濤研究員課題組簡(jiǎn)介



  莊濤濤,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)院/合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心,雙聘研究員、博士生導(dǎo)師。課題組致力于構(gòu)建新型手性無機(jī)納米材料體系,聚焦于相關(guān)材料在信息安全、3D顯示、生物醫(yī)療等方面的功能化應(yīng)用。課題組在無機(jī)納米功能材料領(lǐng)域發(fā)表SCI論文40多篇,其中以通訊/第一作者在Nature系列、JACS、Angew雜志發(fā)表論文10余篇。

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