等離子體手性光學(xué)材料在3D顯示、手性合成和信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域至關(guān)重要，尤其近紅外區(qū)域的響應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中極具潛力。該類材料主要基于微納加工、化學(xué)合成和手性模板組裝等方式制備，其中通過光刻、掠射角沉積等微納加工方法獲得的結(jié)構(gòu)受限于復(fù)雜制備工藝，且缺乏可調(diào)控性。而現(xiàn)有納米顆粒手性組裝材料的圓二色信號(hào)（CD）和光學(xué)不對(duì)稱因子（g-factor）通常較低，且動(dòng)態(tài)調(diào)控能力有限。如何構(gòu)建在可見到NIR區(qū)域具有高手性光學(xué)響應(yīng)的等離子體薄膜，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，已成為等離子體手性光子學(xué)領(lǐng)域重要的科學(xué)問題之一。
圖1. 利用等離子納米顆粒線性組裝結(jié)合拉伸的彈性基底構(gòu)筑手性光學(xué)結(jié)構(gòu)
近期，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院葉春洪教授團(tuán)隊(duì)，通過將具有線二色性的等離子體納米顆粒組裝體與具有雙折射性質(zhì)的彈性基底相結(jié)合，制備了等離子體納米顆粒復(fù)合薄膜。這種等離子體納米顆粒復(fù)合薄膜在近紅外區(qū)域具有高達(dá)40 degree的CD，其 g-factor高達(dá)1.71，接近理論極限值2，是已報(bào)道的手性等離子體納米顆粒組裝結(jié)構(gòu)中最高值。該工作以Dynamic mechanical modulation of chiroptical structures via linearly assembled plasmonic nanoparticles on birefringent polymer films”為題發(fā)表在Nature Communications上（Nat. Commun. 2025, 16, 5156）。上？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院葉春洪課題組助理研究員孟曉、2024屆博士研究生賀義升為論文的共同第一作者，葉春洪副教授為唯一通訊作者，美國佐治亞理工學(xué)院Vladimir V. Tsukruk教授課題組參與了該項(xiàng)工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆基金等項(xiàng)目的資助。
圖2. 拉伸彈性基底的雙折射性質(zhì)（a-d）和金納米顆粒線性組裝體的線二色性（e-f）
該工作基于模板輔助自組裝，在高分子彈性基底上實(shí)現(xiàn)了了大面積、高度有序的金納米顆粒（AuNSs）線形組裝。其中AuNSs呈現(xiàn)相互平行的陣列形貌，顆粒之間緊密接觸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的等離子體共振效應(yīng)，基于長(zhǎng)程等離子體共振效應(yīng)，該組裝結(jié)構(gòu)在近紅外區(qū)具有光學(xué)響應(yīng)。且該各向異性的AuNSs線形組裝具有線二色性，在長(zhǎng)程等離子體共振波段（波長(zhǎng)920 nm）的線二向色性比達(dá)到0.73。另一方面，彈性高分子基底在機(jī)械力拉伸下，實(shí)現(xiàn)分子鏈取向，使其具有雙折射性質(zhì)，提供相位延遲。因此，該光學(xué)薄膜結(jié)合了線二色性和雙折射性質(zhì)，分別起到類線偏振片和波片的作用，進(jìn)而獲得響應(yīng)波段覆蓋可見光到近紅外區(qū)的超高CD信號(hào)。
作者進(jìn)一步探究了CD信號(hào)的正負(fù)，以及大小的影響因素，發(fā)現(xiàn)線二色性越強(qiáng)、相位延遲接近90 degree，則CD越強(qiáng)。且通過改變AuNSs和拉伸PDMS的夾角可以實(shí)現(xiàn)CD信號(hào)的強(qiáng)度和正負(fù)的調(diào)控。
圖3. 手性光學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控
并且，通過動(dòng)態(tài)拉伸彈性基底的拉伸率，可實(shí)現(xiàn)相位延遲的實(shí)時(shí)調(diào)控，并且通過改變AuNSs線形組裝與基底拉伸方向的夾角，可以實(shí)現(xiàn)手性光學(xué)信號(hào)在強(qiáng)度、正負(fù)、波長(zhǎng)三個(gè)維度的動(dòng)態(tài)、可逆調(diào)控。
圖4. 金納米顆粒與不同雙折射材料結(jié)合獲得手性光學(xué)信號(hào)
這一策略具有普適性，可擴(kuò)展至其他具有相位延遲作用的高分子薄膜材料，如：聚乙烯、聚氯乙烯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯等。在加工過程中，該類高分子在剪切和拉伸應(yīng)力作用下，具有一定的分子取向，賦予了其一定的雙折射性質(zhì)。通過結(jié)合等離子體納米顆粒線形組裝體，均在可見光區(qū)至近紅外區(qū)得到了信號(hào)強(qiáng)且可控的手性光學(xué)信號(hào)。
本研究為構(gòu)建柔性等離體體手性光學(xué)薄膜提供了一種有效的策略，其手性光學(xué)活性的超大不對(duì)稱性和可調(diào)性在光學(xué)器件、傳感、手性合成等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于等離子體納米顆粒構(gòu)建手性光學(xué)材料及動(dòng)態(tài)調(diào)控相關(guān)研究的進(jìn)展之一。近年來，葉春洪課題組在等離子體手性光學(xué)方向推進(jìn)了一系列的工作。包括借助折紙結(jié)構(gòu)在刺激條件下自發(fā)地由2D薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>3D結(jié)構(gòu)的形變行為，使在薄膜表面初始態(tài)為緊密直線型排列的金納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間的螺旋線結(jié)構(gòu)，從而獲得手性光學(xué)特性（Advanced Materials, 2023, 35, 2303595）；通過將響應(yīng)性手性多肽納米纖維作為模板，通過靜電相互作用，誘導(dǎo)金納米顆粒自組裝，獲得可調(diào)控的手性組裝結(jié)構(gòu)和手性光學(xué)信號(hào)（Adv. Optical Mater, 2024, 12, 2302728）；利用彈性基底表面微褶皺構(gòu)建將附著在其表面的線型排列的金納米顆粒組裝體轉(zhuǎn)變?yōu)槭中?/span>“S”型結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械拉伸動(dòng)態(tài)調(diào)控表面微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手性結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控（Small 2025, 21, 2407635）
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60165-x
