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黃維院士團(tuán)隊(duì)王學(xué)文教授和王振華副教授課題組 JACS:可控自由基聚合制備多功能室溫磷光高分子的研究新進(jìn)展
2023-12-13  來(lái)源:高分子科技

  室溫磷光(RTP)是一種不同于熒光的發(fā)光現(xiàn)象,在防偽材料、分子開關(guān)和生物成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)或金屬-有機(jī)RTP體系相比,純有機(jī)RTP材料具有毒性低、成本低和可加工性好等優(yōu)勢(shì),取得了迅速發(fā)展,并呈現(xiàn)廣泛的應(yīng)用前景。然而,由于有機(jī)化合物強(qiáng)非輻射速率常數(shù)和弱自旋軌道耦合,導(dǎo)致其三重態(tài)發(fā)射容易受到猝滅的影響,因此,超長(zhǎng)壽命和高量子效率的室溫磷光材料相對(duì)較難獲得。高分子材料具備出色的柔韌性、易于加工和低成本等特點(diǎn)。在高分子體系中,各種相互作用(如氫鍵、離子鍵、共價(jià)鍵)能夠有效阻止分子運(yùn)動(dòng),抑制非輻射衰減,從而有助于實(shí)現(xiàn)高效的高分子磷光發(fā)射。然而,基于上述策略制備的RTP高分子材料的功能可調(diào)性(特別是力學(xué)性能)受到限制,本質(zhì)上是由于缺乏調(diào)控室溫磷光大分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的有效手段。


  近日,西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)王學(xué)文教授和王振華副教授課題組提出基于可控自由基聚合制備具有結(jié)構(gòu)可調(diào)、功能豐富的多相納米結(jié)構(gòu)RTP高分子材料,在單一材料體系實(shí)現(xiàn)了室溫磷光、可調(diào)力學(xué)性能、自修復(fù)性能(圖1)。一方面,硬相(聚丙烯酸)抑制非輻射躍遷,使梯度共聚物薄膜具有優(yōu)異的室溫磷光性能,壽命高達(dá)1290 ms;另一方面,軟相(聚丙烯酸正丁酯)提供了良好的鏈柔順性,實(shí)現(xiàn)了本征柔性、可拉伸性和可修復(fù)性,力學(xué)性能可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,斷裂伸長(zhǎng)率為5.0%~221.7%,楊氏模量為0.5 MPa~225.0 MPa。 


1 具有微相分離結(jié)構(gòu)的多功能RTP高分子的設(shè)計(jì)示意圖


  具體而言,運(yùn)用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合作實(shí)現(xiàn)分散聚合,設(shè)計(jì)并合成了一系列由兩相納米結(jié)構(gòu)組成的不同嵌段比例的室溫磷光高分子(GCPs)(圖2)。 


2 GCPs的分子設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)表征a)合成路線;(bGPC曲線;(c13C NMR譜圖;(d)動(dòng)態(tài)光散射曲線


  GCPs薄膜在490 nm處表現(xiàn)出青色磷光發(fā)射,磷光壽命可達(dá)1.18 s,肉眼可追蹤到1s以上。與相同發(fā)色團(tuán)摻雜型的室溫磷光高分子相比,GCPs體系中的發(fā)色團(tuán)與高分子鏈通過(guò)共價(jià)鍵接,磷光發(fā)射無(wú)論是從強(qiáng)度、壽命還是均勻性方面都大大增強(qiáng)。此外,GCPs薄膜的機(jī)械性能能夠通過(guò)調(diào)整軟硬段比例進(jìn)行調(diào)控,其斷裂伸長(zhǎng)率為5.0%~221.7%,楊氏模量為0.5 MPa~225.0 MPa。使用相機(jī)拍照記錄了GCP-4薄膜在拉伸至不同應(yīng)變時(shí)的磷光發(fā)射照片,并通過(guò)測(cè)試?yán)烨昂蟮陌l(fā)射光譜對(duì)其進(jìn)行了定量化的表征,基本上沒有發(fā)生變化,驗(yàn)證了在大幅拉伸下的光學(xué)穩(wěn)定性。此外,由于氫鍵及良好的鏈柔順性,GCPs薄膜具有可修復(fù)的性能。這些結(jié)果證明了基于可控自由基聚合制備的GCPs可以實(shí)現(xiàn)大分子鏈結(jié)構(gòu)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的的精準(zhǔn)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)材料功能的定制化、集成化(圖3。 


GCPs的結(jié)構(gòu)與性能a)穩(wěn)態(tài)激發(fā)和發(fā)射光譜;(b)磷光激發(fā)和發(fā)射光譜;(c)在490 nm處的磷光壽命衰減曲線;(dSAXS曲線;(eTEM照片;(f)應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(gGCP-4在拉伸至不同應(yīng)變下的示意圖及RTP照片;拉伸前后GCP-4的(h穩(wěn)態(tài)發(fā)射光譜及(i)磷光發(fā)射光譜;(jGCP-4樣品的修復(fù)示意圖及修復(fù)前后的RTP照片


  最后,利用GCPs懸浮液可調(diào)的固含量及成膜方式的普適性,結(jié)合其優(yōu)異的機(jī)械性能,團(tuán)隊(duì)成員分別從靜態(tài)防偽和動(dòng)態(tài)防偽探索了其在光學(xué)顯示與防偽中的應(yīng)用。 


4 a)靜態(tài)防偽展示:從大規(guī)模(絲網(wǎng)印刷)到高精度(噴墨打。┑姆纻;b)動(dòng)態(tài)防偽展示:通過(guò)拉伸展示薄膜隱藏的真實(shí)信息


  以上相關(guān)成果以題目為“Macromolecular Engineered Multifunctional Room-temperature Phosphorescent Polymers through Reversible Deactivation Radical Polymerization”發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of the American Chemical Society上。西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院博士研究生趙若晴為第一作者,王學(xué)文教授、王振華副教授與首席科學(xué)家黃維院士為共同通訊作者。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c10673

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