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拓展弹性有机晶体在柔性光子学领域新应用

2022-03-31 19:11

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

2022年3月18日，南京邮电大学黄维院士、解令海教授和南京工业大学林进义教授研究团队在Cell Press细胞出版社旗下Chem期刊上在线发表了题为“Atomic-resolved hierarchical structure of elastic π-conjugated molecular crystal for flexible organic photonics”的最新研究成果。

研究团队受弹性细胞膜中磷脂双层结构的启发，制备了机械性能优异的弹性有机共轭晶体，首次实现肉眼可见和颜色可调多彩余辉光波导，拓展了有机晶体在柔性有机光子学领域的应用。韦传新、白鲁冰、安翔、徐曼为论文共同第一作者，论文通讯作者是林进义、解令海、黄维。

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作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请林进义教授代表研究团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

PhOH-Cz晶体结构特性受到细胞膜结构的磷脂双层结构启发，它们之间有什么共同结构原理和作用机理？

林进义教授：

众所周知，磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等所组成的两亲性分子，磷酸“头”部是亲水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。其中，亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部朝向内侧，与蛋白质、糖脂、胆固醇等其它分子组成磷脂双分子层，是构成细胞膜的基本骨架。这种两亲性驱动的组装结构赋予细胞膜流动性。受此启发，我们在PhOH-Cz分子中引入醇羟基，在亲油的基础上赋予材料亲水特性，即亲水的羟基组装、亲油的芳环部分组装，通过分子组装形成了类磷脂双层的晶体结构。

CellPress：

PhOH-Cz晶体的良好柔性与其结构网络中的氢键形成密切相关，由此看来，柔性有机发光晶体能否向这方面发展？

林进义教授：

氢键具有动态可逆性和方向性，是自然界中最重要、存在最广泛的分子间相互作用形式之一，被称为“超分子中的万能作用”。无论是有机半导体材料，还是水凝胶、橡胶等传统高分子材料，人们对它的研究逐步深入，并基于此开发了许多可拉伸、自愈合、自组装性质的新型功能材料。目前，针对柔性有机发光晶体的开发，还存在很多的偶然性，相应的内在物理机制，认识还不够深入。如何精确调控分子间作用力以及堆积模式，是实现柔性有机发光晶体的关键。

向大自然界学习，基于手性分子的空间选择性组装特性，利用手性识别、组装和传递，实现多样π-共轭分子多级结构的精准构建，将有助于提高和丰富有机共轭分子材料的光电性能和智能响应性。作为最古老的π-共轭单元之一，芴独特9-位手性功能化位点，为芴单体单元及其高分子的可控合成、智能组装体制备和性能优化提供了全新的设计平台。我们早在10年前，也就是2012年，开发了手性芴醇单体单元，基于芴醇单元构筑了一系列高效蓝光发光组装体及其发光器件；在2019年，我们发展空间异构策略，构建基于类梯形平面化对映体芴醇超分子聚合物晶体框架，大幅度提高材料的蓝光发光稳定性和效率，相关工作发表在Chem（10.1016/j.chempr.2019.06.021）。在本工作中，我们再次利用芴醇的对映体效应，在PhOH-Cz对映体分子间识别性形成可逆的氢键作用，构建动态可逆物理交联点，是实现PhOH-Cz晶体的优异柔性行为至关重要的因素之一，证明了在固态中构建氢键动态网络结构可实现有机晶体的柔性特性。

值得关注的是，氢键作用的动态可逆性，是大家共同的认知，但清晰、可视化地揭示氢键作用在外界作用下动态可逆的形成过程，还是目前超分子化学的重要挑战。很幸运的是，我们在该工作中得到了弯曲晶体在应力作用下拉伸与压缩状态下的单晶结构，直观、可视化地发现了PhOH-Cz对映体分子间氢键作用的动态可逆性，也充分证明动态弱作用将为柔性晶体的设计与构筑提供有力的支撑，将有力促进柔性光电子学的发展。幸运的是，我们后续的一些研究也充分证明我们的想法，希望我们的这项研究能够为柔性晶体材料的开发设计，提供新的研究视角。

CellPress：

PhOH-Cz晶体的非平面结构也是其具有柔性的一个特征，而PhOM-Cz晶体的平面结构就使其很脆弱，PhOH-Cz晶体是怎么形成非平面结构的？

林进义教授：

PhOH-Cz分子和PhOM-Cz分子非常相似，然而晶体结构却有很大不同。PhOH-Cz的晶体结构表现为Zigzag shape，而PhOH-Cz的晶体结构表现为Line shape。通常，非平面的芳环分子晶体易破碎，一般不容易产生弹性或塑性机械形变。通过手性PhOH-Cz对映体分子上的醇羟基的识别组装，其晶体结构中产生可滑移的平面，允许晶体受力时分子进行短程运动，所以晶体具有出色的弹性行为。然而，将PhOH-Cz分子上的醇羟基使用甲氧基取代得到的PhOM-Cz分子不具有组装特性，得到的晶体结构没有滑移面，所以PhOM-Cz晶体不具有柔性而表现不可逆的脆性。事实上，有机光电晶体的柔性与很多因素有关，如晶体的分子堆积结构，晶体的形状和厚度等，与之相关研究工作还不够系统、深入，仍需要科研工作者投入更多的兴趣揭开其神秘的面纱，助力柔性光电子器件的进步。

CellPress：

柔性肉眼可见和彩色可调谐余辉光波导的弹性晶体作为研究的意外结果，它的发展潜力如何？团队将如何推进在这方面的研究？

林进义教授：

在我们的工作中，首次实现了肉眼可见的多彩可调柔性光波导，这一发现有希望为多路光通讯和光子信息加密提供新的思路。事实上，在不同波段下的发光强度是获得多彩可调光波导的难点（不同发射波长的相对组成可以调节）。但是，要同时实现晶体的柔性和多彩发光是极具挑战的，我们团队将从新材料制备、微纳米光学和光路集成继续推进这一研究。