晶态纳米纤维素:圆偏振光潜质及偏振防伪

自然光(如太阳光、灯光等)的光波振动方向是随机的,其传播可被调控至固定方向形成圆偏振光。圆偏振光的电矢量大小保持不变,但方向随时间均匀变化,具有光学敏感性高和光学分辨率高等特点,在立体光学显示、圆偏振光信息加密、生物编码、光学数据存储和光学器件等方面具有广泛的应用前景。在自然界,圆偏振光是一种隐秘的交流工具,用于信号传播和领土防御等。产生圆偏振光的必要条件包括非对称环境和光源。例如,将非手性发光体(如萤光聚合物、聚集诱导发光体等)置于非对称环境(如手性分子、非对称纳米结构、手性向列相液晶、手性镧系配合物等)便可将普通光转变成圆偏振光。以此策略产生的圆偏振光较弱并受诸多因素影响,例如,强度低、手性不可控、毒性高,价格高、且不易规模化生产等。值得一提的是,手性向列相液晶具有本征圆偏振光能力。但目前报道的手性向列相液晶以小分子为主,其圆偏振光强度低,且难于转移到固相。目前,手性向列相液晶产生的圆偏振光的调控原理及影响因素尚无报告。因此,开拓基于可持续性原料、易规模化生产的圆偏振光材料,揭示圆偏振光的产生及调控原理,拓展应用领域具有重要的科学与社会意义。

图1 晶态纳米纤维素膜的圆偏振能力。

近期,吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室徐雁教授团队由此问题出发,首次揭示了晶态纳米纤维素手性光子晶体膜的本征圆偏振能力(图1)。研究结果显示具有一维光子襟带,襟带在近紫外及近红外范围内可调的晶态纳米纤维素膜可将与其光子襟带匹配的入射光分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光;左旋圆偏振光被膜反射,右旋圆偏振光透过膜。因此,晶态纳米纤维素膜两侧分别接收到左旋和右旋圆偏振光,其强度非常高、不对称因子高达 0.87。此外,该晶态纳米纤维素膜可将自发辐射转化为右旋圆偏振光,其不对称性因子高达0.68。基于晶态纳米纤维素膜获得的圆偏振光手性精准、强度高且可调(图2)。

图2 主动及被动圆偏振能力。

作者首次展示了晶态纳米纤维素膜在圆偏振光防伪领域的应用潜能(图3)。该研究工作为圆偏振光领域提供了一条简单、无浪费、具有普适性、易规模化的可持续途径及新材料。

该工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201705948)。文章的第一作者是郑洪芝博士,通讯作者是徐雁教授与张晓安教授。为宣传该研究工作,WILEY制作了视频摘要进行报道。