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北京化工大學(xué)郭金寶教授課題組、東南大學(xué)李全院士團(tuán)隊(duì) Angew：液晶基質(zhì)中光/熱驅(qū)動(dòng)的偶氮芳烴基圓偏振發(fā)光分子開(kāi)關(guān)材料
2023-09-26  來(lái)源：高分子科技
  近年來(lái)，具有可切換CPL信號(hào)特征的手性功能材料得到了廣泛的關(guān)注。在發(fā)光膽甾液晶（CLCs），即發(fā)光自組織的螺旋超結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的CPL材料中，利用光刺激實(shí)現(xiàn)不同的CPL狀態(tài)具有重要意義，而以獨(dú)立和完全可逆的方式切換CPL仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近日，北京化工大學(xué)材料學(xué)院郭金寶教授課題組與東南大學(xué)李全院士團(tuán)隊(duì)合作，在《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表了題為“A Photo- and Thermo-Driven Azoarene-Based Circularly Polarized Luminescence Molecular Switch in a Liquid Crystal Host”的研究論文，該論文報(bào)道了一種基于偶氮芳烴基熒光分子開(kāi)關(guān)的可以獨(dú)立和可逆方式調(diào)諧不同圓偏振發(fā)光（CPL）狀態(tài)，而在不同狀態(tài)下保持相似熒光強(qiáng)度的螺旋膽甾相超結(jié)構(gòu)材料。本研究中，設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)CPL分子開(kāi)關(guān)switch 1 和對(duì)比分子開(kāi)關(guān)switch 2。從分子結(jié)構(gòu)來(lái)看，CPL分子開(kāi)關(guān)switch 1是由光敏性聯(lián)萘偶氮結(jié)構(gòu)和相反旋向的連接有1,8-萘二甲酰亞胺熒光基元的聯(lián)萘結(jié)構(gòu)通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合制備的；而switch 2中兩個(gè)聯(lián)萘手性結(jié)構(gòu)的旋向相同。在溶劑和LC介質(zhì)中，在365 nm紫外光和520 nm綠光照射下，switch 1和switch 2均能發(fā)生可逆的反式/順式光異構(gòu)化（圖1）。 


圖1. a) 分子開(kāi)關(guān)(S, R, S)-switch 1和(R, R, R)- switch 2的化學(xué)結(jié)構(gòu)；b) 光照射下(S, R, S)-switch 1摻雜的CLC體系的螺旋結(jié)構(gòu)和c) CPL信號(hào)變化


  進(jìn)一步在switch 1構(gòu)筑的液晶體系中，利用365 nm和520 nm的輻照波長(zhǎng)調(diào)控CPL信號(hào)，分別實(shí)現(xiàn)了手性和CPL信號(hào)的反轉(zhuǎn)和關(guān)閉。而在switch 2構(gòu)筑的液晶體系中，光調(diào)控下僅發(fā)生手性的減弱。由此可知，液晶體系中(S, R, S)-switch 1的手性反轉(zhuǎn)源于光敏基元(R)-聯(lián)萘偶氮光異構(gòu)前后的手性變化與(S)-聯(lián)萘固有手性之間的手性對(duì)沖和平衡。有趣的是，在整個(gè)過(guò)程中熒光強(qiáng)度基本不變；并且通過(guò)加熱，CPL信號(hào)能夠恢復(fù)。此外，CD信號(hào)在所有穩(wěn)態(tài)下都與CPL信號(hào)高度一致，進(jìn)一步證實(shí)了在不同輻照波長(zhǎng)下手性變化的一致性。以上結(jié)果表明在液晶體系中實(shí)現(xiàn)了真正意義上的CPL信號(hào)的可逆開(kāi)關(guān)（圖2）。 


圖2. 摻雜1.0 wt% (S, R, S)-switch 1 CLC體系的手性光學(xué)性能：a) PSS365和b) PSS520的CD光譜；c)，d)對(duì)應(yīng)的CPL光譜；e)，f)對(duì)應(yīng)的熒光發(fā)射光譜。Ex =365 nm。回復(fù)是通過(guò)在52℃下加熱2小時(shí)實(shí)現(xiàn)


  最后，基于switch 1構(gòu)筑的液晶器件的光學(xué)和響應(yīng)特性，將其演示性應(yīng)用于制備摩斯電碼中，用于多級(jí)信息加密（圖3）。作為概念驗(yàn)證圖，該系統(tǒng)具有熒光和CPL信號(hào)的雙模輸出，值得注意的是，在不同的光穩(wěn)定狀態(tài)下，熒光沒(méi)有視覺(jué)差異，利用CPL檢測(cè)器能夠解密正確的信息。使用365 nm和520 nm光源進(jìn)行局部照射時(shí)，通過(guò)收集整個(gè)陣列中每個(gè)CLC微格的發(fā)射信號(hào)來(lái)獲得信息。這種由手性分子光開(kāi)關(guān)構(gòu)筑的外場(chǎng)刺激響應(yīng)CPL活性材料在信息存儲(chǔ)及手性光學(xué)器件等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。 


圖3. 基于熒光和CPL的雙模式信息加密和解密：a) 由摻雜(S, R, S)-switch 1的CLC組成的摩斯密碼集和使用CPL探測(cè)器的信息解密方案；b) 365 nm激發(fā)下的熒光圖像以及不同光穩(wěn)態(tài)的CPL光譜和熒光發(fā)射光譜 


  本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52073017、51773009）等項(xiàng)目的資助。北京化工大學(xué)材料學(xué)院碩士生康文欣為第一作者；郭金寶教授和李全院士為共同通訊作者。


  論文信息：

  A Photo- and Thermo-Driven Azoarene-Based Circularly Polarized Luminescence Molecular Switch in a Liquid Crystal Host, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311486.

  Wenxin Kang, Yuqi Tang, Xianyu Meng, Siyang Lin, Xinfang Zhang, Jinbao Guo,* Quan Li*

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202311486

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