同分子多晶相:有机晶体发光性质与分子构型及堆积结构的依赖关系

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在探索高性能有机光电材料设计合成策略的过程中,人们从最初完全依赖于分子结构的优化逐渐意识到材料聚集态结构优化的重要意义。对于一些有机材料体系,基于聚集态结构优化产生的光电器件性能提升程度甚至远远超过通过分子结构优化产生的效果。材料的形态结构(包括无定型及结晶态等)是一种对材料表象的理解和认识,其中必然隐含着更深层次的分子构型及分子间相互作用内涵。受超分子科学基本概念的启迪,材料科学家们已经开始从超分子结构与性能的视角来审视有机光电材料结构与性能关系,认识到分子构型和堆积模式是决定材料性能的关键因素。有机材料由一种形态过渡到另一种形态的时候发光性能常常发生变化,然而这种转变过程中往往伴随着分子构型及分子堆积模式的同时变化。分子构型和堆积模式对材料发光性能的影响可能一致也可能正好相反。目前研究体系中分子构型及堆积模式对材料发光性能的影响很难被区分开来。在没有认识到分子构型及堆积模式各自对材料发光性能影响之前,分子设计必然带着很大的偶然性和盲目性。因此,同一分子材料中,分子构型与堆积模式各自与材料发光性能之间的关系就成为一个重要的科学问题。为了能建立有效的材料分子设计策略,确定地认识分子构型与排列模式分别对有机材料发光性能的影响就显得十分重要。

吉林大学张红雨及王悦教授研究团队利用一种已知的有机共轭化合物通过晶体生长条件精确调控构筑了发光颜色不同的多晶相A,B,和C。结构解析表明绿光晶体A和黄光晶体B具有完全相同的聚集态结构,其发光性质不同是由于共轭单元之间不同的扭曲角度所致黄光晶体B和橙光晶体C分子构型几乎完全相同,其不同的发光性质来源于两种晶体不同的聚集态堆积结构。因此,该研究团队基于同一分子体系分别揭示了分子构型-发光性能及堆积结构-发光性能之间的关系。这一问题的解决不仅能从更深层次上来揭示材料结构性能的关系,而且能为设计构造高性能有机光电材料提供更合理更有效的设计策略。