圆偏振发光(CPL)材料,由于其独特的手性光学特性,在3D显示、量子计算、信息加密与防伪、不对称光催化和传感等前沿领域具有广阔的应用前景。纤维素作为自然界储量最丰富的生物大分子,为构筑CPL材料提供了理想的手性平台。与纤维素纳米晶相比,纤维素衍生物不仅保留了纤维素的手性特征,同时展现出优异的加工性能、柔韧性和可调节的机械性能。然而,基于纤维素衍生物的CPL材料仍处于起步阶段,实现全色CPL仍然具有挑战性。 近日,北京化工大学邓建平教授和赵彪副教授团队利用醋酸丁酸纤维素(CAB)和非手性螺旋聚炔(P1)的协同作用,在固态薄膜中实现了从构型手性到构象手性的手性放大(图1)。进一步引入非手性荧光染料后,成功构筑了全色CPL活性薄膜。值得注意的是,CAB与聚炔之间的手性传递表现出对溶剂氢键受体能力的依赖性,借助这一特性实现了对圆二色性(CD)和CPL强度的精准调控。此外,所得到的CPL材料展现出在白色圆偏振有机发光二极管和手性逻辑门中的应用潜力。
图1. 基于手性传递与荧光选择性吸收机理的全色CPL示意图
图2. CAB/P1复合膜的优化与溶剂依赖性手性传递 作者首先利用CD光谱和紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱研究了CAB与P1的质量比、薄膜厚度和成膜温度对CD强度的影响,从而确定了最佳诱导条件。随后,利用三氯甲烷/二氯甲烷混合物作为成膜溶剂实现了对CD强度的精准调控。结合实验结果与理论计算,深入分析了手性传递的机理(图2)。 图3. CAB/P1/荧光染料复合膜的CPL性能及P1与荧光染料间的弱相互作用 在优化后的CAB/P1体系中,进一步引入蓝色、绿色、橙色和红色非手性荧光染料作为第三组分,利用诱导的P1向染料的手性传递,实现了发光不对称因子达到10-1数量级,光致发光量子产率可达62.9%的全色CPL(图3)。通过调整蓝色和橙色荧光染料的质量比,在365 nm紫外光激发下获得明亮的白光发射,国际照明委员会(CIE)色坐标为(0.33, 0.35),非常接近理想的白光发射坐标(0.33, 0.33)。 图4. 双层薄膜中荧光选择性吸收产生与调控的CPL性能 通过将手性CAB/P1膜与非手性荧光膜进行并排CPL测试,在绿色、橙色和红色体系中实现了CPL反转(图4)。考虑到蓝色荧光膜的发射谱图与CAB/P1膜的CD谱图重叠面积较大,将蓝色荧光膜与具有不同CD强度(由溶剂调控)的CAB/P1膜进行并排CPL测试,实现了CPL强度的精准调控。最后,基于所得CPL材料制备了白色圆偏振发光二极管,并设计了具有多重信息输出的手性逻辑门。这项工作不仅为纤维素衍生物基CPL材料的构建提供了新策略,还为溶剂依赖性手性传递机理的理解提供了更深入的见解。 论文信息 Solvent-Dependent Chirality Transmission and Amplification from Cellulose Derivative to Achiral Helical Polymer for Achieving Full-Color and White Circularly Polarized Luminescence Hai Zhong, Biao Zhao, Jianping Deng 文章的第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院博士生钟海,通讯作者为邓建平教授和赵彪副教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202418463