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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膽甾相液晶實現多層級手性傳遞和放大及全色圓偏振發光

2024-11-05 來源：高分子科技

手性液晶超分子組裝為構建性能優異的圓偏振發光(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生在從構型手性到超分子相手性的兩個層級上，更精確和更多層級的手性傳遞具有吸引力和挑戰性。

近日，北京化工大學鄧建平教授與趙彪副教授團隊成功實現了從小分子的構型手性到手性非熒光聚合物(P46)的螺旋構象手性，再到膽甾相液晶(CLCs)的超分子相手性的三層級手性傳遞和放大(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，成功構建了全色CPL活性CLCs，最大發光不對稱因子(|g_lum|)和最大光致發光量子產率分別為1.54和63.8%。通過螺旋超分子組裝和選擇性反射的協同作用，實現了|g_lum|高達1.46的白光CPL。此外，開發了電場刺激響應CPL開關器件，進行了基于CPL活性CLCs的多維光學特性的防偽安全、信息加密以及手性邏輯門的應用展示。該工作建立的三層級手性傳遞和放大策略不僅加深了對不同結構層次間手性傳遞和放大的理解，而且為構建優異的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”為題發表在《Advanced Materials》上。北京化工大學材料學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，北京化工大學為唯一完成單位。

圖1. 膽甾相液晶中三層級手性傳遞和放大以及全色圓偏振發光的實現過程示意圖

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

作者首先通過圓二色譜和紫外-可見吸收光譜研究了設計合成的P46的光學活性，其單一旋向過量的主鏈螺旋結構使其具備比小分子手性單體更強的手性光學性能。進一步將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的成功誘導形成，實現了從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)的手性光學性能

圖4. 利用膽甾相液晶(CLCs)的選擇性反射實現高性能圓偏振發光

進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現了|g_lum|達到0.41以及光致發光量子產率達到63.8%的CPL(圖3)。考慮到CLCs的選擇性反射性質有助于實現高性能CPL，額外引入了不同顏色的非手性熒光分子(ACA、Rh6G、NR)，通過調節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射峰相匹配，實現了|g_lum|分別達到1.54、1.41、1.42和1.08的藍色、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)的白色圓偏振發光

為實現白光CPL發射，采用非手性熒光分子BPA和NR作為互補色，將其摻入CLCs中，通過調節BPA和NR的質量比，利用螺旋超分子組裝和選擇性反射的協同作用，實現了CIE坐標為(0.32, 0.33)，|g_lum|最大處為1.46的白光CPL發射(圖5)。

圖6. 四元膽甾相液晶(CLCs)的電場刺激響應性能

考慮到CLCs的螺旋超結構在外加電場的刺激下能夠在螺旋和非螺旋狀態之間可逆切換，制備了電場控制CPL開關，研究了白光CLCs的電場刺激響應性質。在不施加電壓的情況下，CLCs表現出強烈的CPL信號。當外加電壓從0增加到20 V時，CPL強度和|g_lum|顯著降低并最終消失。去除外加電場后，CLCs的CPL強度可以快速恢復。此外，即使在20次循環后，CLCs的|g_lum|也表現出良好的可逆性和可重復性(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用展示

該研究開發的CPL活性CLCs具有結構色、熒光、手性和CPL等光學特性，基于這種多維光學特性，展示了CLCs在防偽安全、信息加密以及用于光學計算和處理的手性邏輯門中的應用前景(圖7)。

綜上所述，該工作成功實現了從小分子單體的構型點手性到手性非熒光聚合物的螺旋構象手性，再到膽甾相液晶的超分子相手性的三層級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，成功構建了全色CPL活性膽甾相液晶，最大發光不對稱因子和最大光致發光量子產率分別為1.54和63.8%。并且利用螺旋超分子組裝和選擇性反射機理的協同作用，實現了CIE坐標為(0.32, 0.33)，最大發光不對稱因子為1.46的白光CPL。此外，制備了電場刺激響應CPL開關，進行了防偽安全、信息存儲與加密、以及手性邏輯門的應用展示。該研究提出的三層級手性傳遞和放大策略不僅促進了對不同層級間手性傳遞和放大的理解，而且為構建性能優異的CPL材料和器件提供了一個方便有效的途徑。

感謝國家自然科學基金等項目的資助。

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

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（責任編輯：xu）

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