《Nature Photonics》報(bào)道內(nèi)源手性光控開關(guān)在光編碼液晶超結(jié)構(gòu)應(yīng)用取得的突破性進(jìn)展
近期，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Nature Photonics》以“Digital photoprogramming of liquid-crystal superstructures featuring intrinsic chiral photoswitches”為題，在線報(bào)道了我?；瘜W(xué)與分子工程學(xué)院、材料生物學(xué)與動(dòng)態(tài)化學(xué)教育部前沿科學(xué)中心朱為宏教授、物理學(xué)院鄭致剛教授和諾獎(jiǎng)中心Feringa教授合作，在光編碼液晶超結(jié)構(gòu)應(yīng)用取得突破性研究進(jìn)展。
在軟物質(zhì)超結(jié)構(gòu)材料中，液晶具有優(yōu)異的外場(chǎng)響應(yīng)性、自組裝性和動(dòng)態(tài)可調(diào)諧性，廣泛應(yīng)用于成像和顯示等領(lǐng)域。然而，光調(diào)控液晶分子的有序排列、自組裝行為和多維尺度上動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控仍是一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光敏材料（如偶氮苯、螺吡喃）通常熱不穩(wěn)定，二芳基乙烯（DAE）作為熱穩(wěn)定性優(yōu)異的化合物被引入液晶中，但DAE通常表現(xiàn)為一對(duì)外消旋體，故需通過引入外接手性基團(tuán)來實(shí)現(xiàn)其手性調(diào)控功能。鑒于外接手性基團(tuán)的DAE在光照閉環(huán)后容易產(chǎn)生含有多手性源的非對(duì)映異構(gòu)體，在液晶微腔中產(chǎn)生多疇結(jié)構(gòu)，破壞液晶分子的有序排列，從而產(chǎn)生光散射現(xiàn)象，進(jìn)一步影響其光學(xué)應(yīng)用，如光譜畸形、圖像邊緣粗糙等問題。此外，目前報(bào)道過的DAE液晶體系動(dòng)態(tài)調(diào)控波長(zhǎng)范圍較窄。
為了解決上述問題，該工作基于朱為宏課題組所發(fā)展的獨(dú)特“位阻性烯橋光控體系”，發(fā)展了一類雙穩(wěn)態(tài)內(nèi)源手性二芳基乙烯分子。與外接手性基團(tuán)所帶來的手性調(diào)控相比，內(nèi)源手性的轉(zhuǎn)變僅來自于開環(huán)體的軸手性與閉環(huán)體的中心手性之間的變化，非常有效地避免了含有多手性源的非對(duì)映異構(gòu)體的產(chǎn)生，從分子設(shè)計(jì)源頭創(chuàng)新解決了液晶微腔中的多疇結(jié)構(gòu)問題。此外，通過在側(cè)鏈修飾類似液晶單體的結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)一步提升了光控分子與液晶的相容性、螺旋扭曲變量（HTP）、熱穩(wěn)定性以及抗疲勞度。該類內(nèi)源手性光控開關(guān)完美解決了軟物質(zhì)光子學(xué)中動(dòng)態(tài)調(diào)控范圍窄、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性弱、抗疲勞度差、光散射和光譜畸形等問題，突破性地實(shí)現(xiàn)了從近紫外到近紅外區(qū)的寬范圍、多穩(wěn)態(tài)、強(qiáng)抗疲勞度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，并開創(chuàng)了可逆、可擦、漸變、角度依賴、內(nèi)嵌式微結(jié)構(gòu)的多重防偽新技術(shù)，有力推進(jìn)了防偽領(lǐng)域新時(shí)代的發(fā)展。
基于上述內(nèi)源手性的優(yōu)異性能，該工作進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種新型的多重防偽技術(shù)，其中二維碼“ECUST”圖案在紫外光照射下可以從隱藏態(tài)慢慢顯現(xiàn)，并伴隨著顏色從藍(lán)色一直到紅色，然后用可見光又可以將整個(gè)過程可逆恢復(fù)。此外，通過在Bragg角度和遠(yuǎn)離Bragg角度觀察，可以發(fā)現(xiàn)圖案和背景顏色發(fā)生互換。值得一提的是，在二維碼三個(gè)定位點(diǎn)上嵌入微觀結(jié)構(gòu)，從肉眼上看，只能觀察到二維碼結(jié)構(gòu)，但利用相應(yīng)激光打在定位點(diǎn)上時(shí)可以出現(xiàn)不同的光學(xué)衍射效果，大大增強(qiáng)了防偽的安全性，為后續(xù)高端防偽打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
需指出的是，該技術(shù)已申請(qǐng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)（PCT專利，PCT/CN2020/120431；中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?202010425456.8），并成功應(yīng)用于2021年我校本科新生錄取通知書的“光控變色?；铡痹O(shè)計(jì)中，通過短波長(zhǎng)的紫外光和長(zhǎng)波長(zhǎng)的可見光進(jìn)行交替照射，實(shí)現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)、光響應(yīng)的“校徽”顏色變化調(diào)控。
英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士、牛津大學(xué)蘭卡斯特教授Stephen Morris在同期“news & views”欄目對(duì)該項(xiàng)研究撰寫特別評(píng)述，著重強(qiáng)調(diào)：這是一項(xiàng)令人振奮的策略（an exciting new strategy），通過一種具備熱穩(wěn)定性、強(qiáng)抗疲勞度和廣螺旋扭力調(diào)制的內(nèi)源手性分子光開關(guān)，完美解決了早期傳統(tǒng)外源手性光開關(guān)液晶體系所面臨的問題，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域研究向前邁進(jìn)了重要的一步（an important step），解鎖了光可編程新技術(shù)的發(fā)展。
該研究工作主要是由我?；瘜W(xué)與分子工程學(xué)院博士生胡宏龍?jiān)谥鞛楹杲淌诤袜嵵聞偨淌诘闹笇?dǎo)下，與我校張志鵬教授、曲大輝教授和諾獎(jiǎng)中心Feringa教授合作完成，并得到了田禾院士的大力支持。該研究工作還得到了材料生物學(xué)與動(dòng)態(tài)化學(xué)教育部前沿科學(xué)中心、國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金、上海市科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。
原文信息：Zhigang Zheng, Honglong Hu, Zhipeng Zhang, Binghui Liu, Mengqi Li, Da-Hui Qu, He Tian, Wei-Hong Zhu*, Ben L. Feringa*, Digital photoprogramming of liquid-crystal superstructures featuring intrinsic chiral photoswitches, Nature Photonics, 2022, 16, 226–234. https://doi.org/10.1038/s41566-022-00957-5
Nature Photonics亮點(diǎn)評(píng)述：Nature Photonics, 2022, 16, 174–181.?https://doi.org/10.1038/s41566-022-00967-3.
光控變色校徽：
https://www.bilibili.com/video/av376665551
https://news.ecust.edu.cn/2021/0718/c160a159861/page.htm
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