《Nature Photonics》報道內(nèi)源手性光控開關(guān)在光編碼液晶超結(jié)構(gòu)應(yīng)用取得的突破性進展
近期，國際權(quán)威學術(shù)期刊《Nature Photonics》以“Digital photoprogramming of liquid-crystal superstructures featuring intrinsic chiral photoswitches”為題，在線報道了我?；瘜W與分子工程學院、材料生物學與動態(tài)化學教育部前沿科學中心朱為宏教授、物理學院鄭致剛教授和諾獎中心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展。
在軟物質(zhì)超結(jié)構(gòu)材料中，液晶具有優(yōu)異的外場響應(yīng)性、自組裝性和動態(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態(tài)精準調(diào)控仍是一項嚴峻挑戰(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)為一對外消旋體，故需通過引入外接手性基團來實現(xiàn)其手性調(diào)控功能。鑒于外接手性基團的DAE在光照閉環(huán)后容易產(chǎn)生含有多手性源的非對映異構(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，進一步影響其光學應(yīng)用，如光譜畸形、圖像邊緣粗糙等問題。此外，目前報道過的DAE液晶體系動態(tài)調(diào)控波長范圍較窄。
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映異構(gòu)體的產(chǎn)生，從分子設(shè)計源頭創(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)光子學中動態(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，突破性地實現(xiàn)了從近紫外到近紅外區(qū)的寬范圍、多穩(wěn)態(tài)、強抗疲勞度的動態(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)，有力推進了防偽領(lǐng)域新時代的發(fā)展。
基于上述內(nèi)源手性的優(yōu)異性能，該工作進一步設(shè)計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)，并伴隨著顏色從藍色一直到紅色，然后用可見光又可以將整個過程可逆恢復。此外，通過在Bragg角度和遠離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，在二維碼三個定位點上嵌入微觀結(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)激光打在定位點上時可以出現(xiàn)不同的光學衍射效果，大大增強了防偽的安全性，為后續(xù)高端防偽打下了堅實基礎(chǔ)。
需指出的是，該技術(shù)已申請知識產(chǎn)權(quán)保護（PCT專利，PCT/CN2020/120431；中國發(fā)明專利，申請?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)計中，通過短波長的紫外光和長波長的可見光進行交替照射，實現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)、光響應(yīng)的“?；铡鳖伾兓{(diào)控。
英國皇家學會院士、牛津大學蘭卡斯特教授Stephen Morris在同期“news & views”欄目對該項研究撰寫特別評述，著重強調(diào)：這是一項令人振奮的策略（an exciting new strategy），通過一種具備熱穩(wěn)定性、強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，推動相關(guān)領(lǐng)域研究向前邁進了重要的一步（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校化學與分子工程學院博士生胡宏龍在朱為宏教授和鄭致剛教授的指導下，與我校張志鵬教授、曲大輝教授和諾獎中心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與動態(tài)化學教育部前沿科學中心、國家自然科學基金基礎(chǔ)科學中心項目、國家自然科學基金委優(yōu)秀青年科學基金、上海市科技重大專項等項目的支持。
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亮點評述：Nature Photonics, 2022, 16, 174–181.?https://doi.org/10.1038/s41566-022-00967-3.
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https://www.bilibili.com/video/av376665551
https://news.ecust.edu.cn/2021/0718/c160a159861/page.htm
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