▎本文由論文作者團(tuán)隊投稿

▎導(dǎo)讀

圓偏振發(fā)光材料在三維顯示、生物傳感、加密防偽、光催化不對稱合成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。基于手性液晶的圓偏振發(fā)光材料因具有較高發(fā)光不對稱因子（g???）和刺激響應(yīng)性能而被廣泛研究。然而，小分子液晶的流動性限制了實際應(yīng)用場景，聚合物液晶的剛性網(wǎng)絡(luò)則抑制了刺激響應(yīng)功能。因此，開發(fā)具有多重響應(yīng)、高g???值且易于加工的CPL材料成為一項挑戰(zhàn)。

基于此，來自北京化工大學(xué)的郭金寶教授課題組與東南大學(xué)李全院士團(tuán)隊合作，在CPL材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，他們將量子點(diǎn)與藍(lán)相液晶彈性體結(jié)合，制備了全彩色和機(jī)械可調(diào)的CPL材料，并深入探討了藍(lán)相液晶誘導(dǎo)CPL背后的復(fù)雜機(jī)制。該研究成果以“When Quantum Dots Meet Blue Phase Liquid Crystal Elastomers: Visualized Full-Color and Mechanically-Switchable Circularly Polarized Luminescence”為題在線發(fā)表在Light: Science & Applications。

本文共同第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生李山和東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生湯玉琪，通訊作者為北京化工大學(xué)郭金寶教授和東南大學(xué)李全院士。

▎正文

圓偏振發(fā)光(CPL)是指手性發(fā)光體系在激發(fā)下發(fā)射出具有差異的左旋和右旋圓偏振光的現(xiàn)象。發(fā)光不對稱因子g???是衡量CPL的重要參數(shù)，該值范圍從+2到-2，分別對應(yīng)理想的左旋和右旋圓偏振光。CPL材料在三維顯示、生物傳感、加密防偽、光催化不對稱合成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。手性液晶材料通常自組裝成具有周期性的手性螺旋結(jié)構(gòu)，將手性液晶軟模板與發(fā)光材料相結(jié)合是實現(xiàn)CPL的途徑之一。然而，小分子液晶體系必須封裝在液晶盒中，限制了其實際應(yīng)用場景；聚合物液晶體系的剛性網(wǎng)絡(luò)則抑制了材料的刺激響應(yīng)功能。并且，在手性液晶體系中，CPL的放大通常是通過熒光發(fā)射和光子帶隙之間的匹配實現(xiàn)的，這需要精確調(diào)節(jié)添加到體系中的手性劑的含量。

藍(lán)相（BP）是一種介于各向同性態(tài)和膽甾相之間的特殊相態(tài)。與傳統(tǒng)的一維手性液晶光子晶體相比，藍(lán)相液晶（BPLC）展現(xiàn)出許多獨(dú)特的優(yōu)勢，例如較窄的光子帶隙、更高的有序度和以及更復(fù)雜的手性環(huán)境等。這使得BPLC在制備CPL材料上展現(xiàn)出巨大潛力。

北京化工大學(xué)的郭金寶教授課題組與東南大學(xué)李全院士團(tuán)隊合作，將量子點(diǎn)引入藍(lán)相液晶當(dāng)中，制備了熒光藍(lán)相液晶彈性體（QD-BPLCE）薄膜。所得到的QD-BPLCE薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的手性光學(xué)特征，包括在自然光下明亮的圓偏振結(jié)構(gòu)色和在365nm光照下最大g???值為0.74的可辨別CPL發(fā)射。通過引入不同種類的量子點(diǎn)實現(xiàn)了全彩色的CPL。

圖1：QD-BPLCE的制備和表征。

研究團(tuán)隊還深入探討了藍(lán)相液晶誘導(dǎo)CPL的機(jī)理。在傳統(tǒng)的膽甾相液晶中，CPL信號的產(chǎn)生是由于熒光波段和光子帶隙匹配產(chǎn)生的。因此右旋的膽甾相液晶選擇性反射右旋偏振光，透過左旋偏振光，誘導(dǎo)出左旋的CPL信號。而在藍(lán)相液晶中，CPL信號由高手性環(huán)境誘導(dǎo)產(chǎn)生，因此右旋的藍(lán)相液晶誘導(dǎo)出右旋的CPL信號，并且無需光子帶隙匹配即可實現(xiàn)較高的g???。

圖2：CPL發(fā)射的比較：QD-BPLCE與CLCE。

圖3展示了不同形變比例下QD-BPLCE的CPL信號，當(dāng)形變量達(dá)到20%時，最大|glum|僅有0.0645，當(dāng)形變量40%時最大|g???|僅有0.006。表明，機(jī)械力刺激會引起QD-BPLCE的CPL信號消失。這主要是因為在拉伸過程中， QD-BPLCE的晶格被縱向拉伸，手性結(jié)構(gòu)被破壞。CPL信號發(fā)生了從有到無的變化。

圖3：機(jī)械調(diào)控QD-BPLCE的CPL信號。

機(jī)械力刺激誘導(dǎo)的CPL信號消失屬于臨時形態(tài)。一旦撤去外加的機(jī)械力，QD-BPLCE會自動恢復(fù)到初始態(tài)，CPL信號再次出現(xiàn)。由于體系中含有動態(tài)二硫鍵分子，利用體系中動態(tài)二硫鍵的熱編程作用，還可以實現(xiàn)CPL信號的永久擦除，并實現(xiàn)信息的寫入。

圖4：熱調(diào)控QD-BPLCE的CPL信號。

基于QD-BPLCE獨(dú)特的機(jī)械/熱的CPL調(diào)諧性能，進(jìn)一步探索了其在防偽及信息加密的應(yīng)用。首先，通過設(shè)計圖案實現(xiàn)了多層防偽認(rèn)證。其次，通過部分拉伸QD-BPLCE實現(xiàn)信息的寫入，并通過熱編程實現(xiàn)了信息存儲。最后，通過組合不同類型的QD-BPLCE，實現(xiàn)了多級信息加密，利用了其在不同狀態(tài)下的光學(xué)行為，有效防止信息泄露。這些結(jié)果表明了QD-BPLCE在防偽和信息存儲及加密領(lǐng)域的潛力，并為未來應(yīng)用提供了新的思路。

圖5：QD-BPLCE的防偽及新型加密應(yīng)用。

這項創(chuàng)新性的工作不僅在理論上研究了藍(lán)相液晶誘導(dǎo)CPL的機(jī)理，而且在實際應(yīng)用方面也展示了巨大的潛力。這種新型的具有機(jī)械響應(yīng)的CPL材料可用于防偽、信息存儲及加密等領(lǐng)域。

此外，這項工作還展示出了藍(lán)相液晶在構(gòu)筑CPL材料中的巨大潛力，為未來開發(fā)更高效的CPL材料提供了新的思路和方法。

▎論文信息

Li, S., Tang, Y., Fan, Q. et al. When quantum dots meet blue phase liquid crystal elastomers: visualized full-color and mechanically-switchable circularly polarized luminescence. Light Sci Appl 13, 140 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01479-1

閱讀原文