北化邓建平教授、赵彪副教授 Adv. Mater.：手性螺旋聚合物诱导胆甾相液晶实现多层级手性传递和放大及全色圆偏振发光

2024-11-05 来源：高分子科技

手性液晶超分子组装为构建性能优异的圆偏振发光(CPL)材料提供了理想的途径。然而，手性液晶中的手性传递通常发生在从构型手性到超分子相手性的两个层级上，更精确和更多层级的手性传递具有吸引力和挑战性。

近日，北京化工大学邓建平教授与赵彪副教授团队成功实现了从小分子的构型手性到手性非荧光聚合物(P46)的螺旋构象手性，再到胆甾相液晶(CLCs)的超分子相手性的三层级手性传递和放大(图1)。值得注意的是，P46的螺旋扭曲力是其单体的5倍。通过引入非手性荧光分子作为第三组分，成功构建了全色CPL活性CLCs，最大发光不对称因子(|g_lum|)和最大光致发光量子产率分别为1.54和63.8%。通过螺旋超分子组装和选择性反射的协同作用，实现了|g_lum|高达1.46的白光CPL。此外，开发了电场刺激响应CPL开关器件，进行了基于CPL活性CLCs的多维光学特性的防伪安全、信息加密以及手性逻辑门的应用展示。该工作建立的三层级手性传递和放大策略不仅加深了对不同结构层次间手性传递和放大的理解，而且为构建优异的CPL材料提供了一种便捷有效的途径。

该工作以“Three-Level Chirality Transfer and Amplification in Liquid Crystal Supramolecular Assembly for Achieving Full-Color and White Circularly Polarized Luminescence”为题发表在《Advanced Materials》上。北京化工大学材料学院博士研究生王旭杰为文章的第一作者，邓建平教授和赵彪副教授为文章的通讯作者，北京化工大学为唯一完成单位。

图1. 胆甾相液晶中三层级手性传递和放大以及全色圆偏振发光的实现过程示意图

图2. 手性非荧光聚合物(P46)及其诱导的胆甾相液晶(CLCs)的手性光学性能

作者首先通过圆二色谱和紫外-可见吸收光谱研究了设计合成的P46的光学活性，其单一旋向过量的主链螺旋结构使其具备比小分子手性单体更强的手性光学性能。进一步将P46掺入向列相液晶分子5CB中，通过偏光显微镜、圆二色谱以及紫外-可见吸收光谱证明了CLCs的成功诱导形成，实现了从P46的螺旋手性到CLCs的超分子相手性的手性传递和放大(图2)。

图3. 掺有非手性荧光分子BPA的三元胆甾相液晶(CLCs)的手性光学性能

图4. 利用胆甾相液晶(CLCs)的选择性反射实现高性能圆偏振发光

进一步引入非手性荧光分子BPA作为CLCs的第三组分，利用CLCs的螺旋超分子组装实现了|g_lum|达到0.41以及光致发光量子产率达到63.8%的CPL(图3)。考虑到CLCs的选择性反射性质有助于实现高性能CPL，额外引入了不同颜色的非手性荧光分子(ACA、Rh6G、NR)，通过调节P46的掺杂浓度使得CLCs的选择性反射带分别与各荧光分子的发射峰相匹配，实现了|g_lum|分别达到1.54、1.41、1.42和1.08的蓝色、绿色、黄色和红色CPL(图4)。

图5. 掺有非手性荧光分子BPA和NR的四元胆甾相液晶(CLCs)的白色圆偏振发光

为实现白光CPL发射，采用非手性荧光分子BPA和NR作为互补色，将其掺入CLCs中，通过调节BPA和NR的质量比，利用螺旋超分子组装和选择性反射的协同作用，实现了CIE坐标为(0.32, 0.33)，|g_lum|最大处为1.46的白光CPL发射(图5)。

图6. 四元胆甾相液晶(CLCs)的电场刺激响应性能

考虑到CLCs的螺旋超结构在外加电场的刺激下能够在螺旋和非螺旋状态之间可逆切换，制备了电场控制CPL开关，研究了白光CLCs的电场刺激响应性质。在不施加电压的情况下，CLCs表现出强烈的CPL信号。当外加电压从0增加到20 V时，CPL强度和|g_lum|显著降低并最终消失。去除外加电场后，CLCs的CPL强度可以快速恢复。此外，即使在20次循环后，CLCs的|g_lum|也表现出良好的可逆性和可重复性(图6)。

图7. CPL活性胆甾相液晶(CLCs)在防伪安全、信息加密以及手性逻辑门中的应用展示

该研究开发的CPL活性CLCs具有结构色、荧光、手性和CPL等光学特性，基于这种多维光学特性，展示了CLCs在防伪安全、信息加密以及用于光学计算和处理的手性逻辑门中的应用前景(图7)。

综上所述，该工作成功实现了从小分子单体的构型点手性到手性非荧光聚合物的螺旋构象手性，再到胆甾相液晶的超分子相手性的三层级手性传递和放大过程。通过将手性非荧光聚合物和非手性荧光分子掺入向列相液晶分子中，成功构建了全色CPL活性胆甾相液晶，最大发光不对称因子和最大光致发光量子产率分别为1.54和63.8%。并且利用螺旋超分子组装和选择性反射机理的协同作用，实现了CIE坐标为(0.32, 0.33)，最大发光不对称因子为1.46的白光CPL。此外，制备了电场刺激响应CPL开关，进行了防伪安全、信息存储与加密、以及手性逻辑门的应用展示。该研究提出的三层级手性传递和放大策略不仅促进了对不同层级间手性传递和放大的理解，而且为构建性能优异的CPL材料和器件提供了一个方便有效的途径。

感谢国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202412805

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（责任编辑：xu）

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