氰芪基手性荧光光开关:一种可构筑反射-荧光双模式液晶光子器件的多功能光开关材料

光诱导的分子光开关在信息存储、纳米器件、分子光子学及光生物学等领域有诸多潜在应用。与其它调控手段相比,光调控具有易寻址、响应速率快以及可远程操控等优点,近些年来吸引了科研人员的广泛关注。其中,荷兰格罗宁根大学费林加(Ben L. Feringa)教授就是光诱导分子关开关/马达领域的开拓者之一。由于他在“分子机器的设计与合成”领域的杰出贡献,与其他两位化学家共同获得了2016年诺贝尔化学奖。将手性光开关分子掺杂到向列相液晶中可诱导形成具有自组装螺旋超结构的胆甾相液晶。在这类体系中,手性光开关的光控分子结构变化可以诱导液晶体系发生宏观的光学性质变化。目前,该类材料的研究多集中在利用偶氮光敏基元来构筑手性光开关。但偶氮基手性光开关材料仍存在顺式异构体稳定性差以及暗态热松弛等问题。因此,发展新的光敏构筑基元来制备手性光开关是该领域学者努力的方向之一。

AOM-guojinbao

最近,北京化工大学材料科学与工程学院郭金宝副教授课题组(博士研究生李俊涛为本文第一作者)首次开发了一种二氰芪基手性荧光光开关(Chiral Fluorescence Photoswitches)。这种二氰芪基手性光开关在365nm 紫外(UV)光诱导下可发生不可逆的Z/E异构化反应,并且处于光稳态或者中间态的异构体在暗态下能够保持稳定,无热松弛现象;其次,由于选择了联萘二酚作为手性基元,使得这种手性光开关具有很大的初始螺旋扭曲力(HTP)及光诱导的HTP变化。相应的胆甾相液晶的反射波段可以从紫外光区域调控到近红外光区(波段迁移超过1500nm)。更为重要的是,手性光开关的Z/E异构化同样导致了荧光的变化。并且,在液晶体系中存在聚集诱导荧光增强(AIEE效应)以及反射和荧光波段叠加所导致的荧光增强效应。基于此,进一步构筑了可光寻址的反射-荧光双模式液晶光子器件,这类液晶器件在日常条件及暗场条件下均可显示信息,这极大拓展了胆甾相液晶显示器件的应用范围。另外,手性光开关的不可逆光调控及无热松弛的特点也可用来构筑UV光学传感器。这种材料的开发为光开关材料的探索和分子设计提供了新的思路,并为光开关材料在新型液晶显示器件、光学传感器和微纳光子等光电器件中的实际应用与发展提供了借鉴。该工作在线发表在Advanced Optical Materials(DOI:10.1002/adom.201700014)上。