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唐本忠:纳米光学革命正在到来—新闻—科学网

发布时间:2017-12-03 阅读:

  唐本忠:纳米光学革命即将来临 - 新闻 - 科学网

  去年3月2日,“自然”发表了一篇新闻深度分析文章,预测纳米光学革命即将来临(纳米光伏革命即将到来,2016年,531,26日)。量子点和聚合物点一直是感兴趣的发光材料,具有聚集诱导发射(AIE)特性的AIE点是发光材料领域的新秀。

  量子点是一个重要的零维纳米半导体,可用于许多重要领域,如光伏,光伏,生物,医学等。但是它有两个问题:一是量子点的种类有限,合成复杂,稳定性差。其次,量子点聚集的存在导致聚集引起的猝灭(ACQ)效应。例如,悬浮在水纳米颗粒中,一旦涂覆的表面活性剂损失,纳米颗粒将形成不发光的聚集体。聚合物点是聚合物聚集体,也存在ACQ问题。当聚合物链在水介质中紧密堆积时,分子链之间的相互作用增强,导致发光减少甚至消失。

  我们常用的有机发光材料大都是小分子,ACQ的问题也很严重。例如,荧光素是一种合成染料,当其浓度非常低时,其发光效率为100%然而,当浓度增加到约10%时,其分子聚集并且发光量子产率下降到0%,即根本没有光。生物系统的介质是水,许多有机染料自然地积聚在水中。 ACQ效应显然是一个令人不安的问题。

  我们研究小组研究的聚集诱导发光体系与上述传统体系相反。 2001年,我们观察到一些silole分子在溶液中几乎不发光,而在聚集状态下它们的发光大大增强。由于发光增强是由聚集引起的,我们把这个现象定义为AIE。

  我们研究了典型的AIE分子六苯基硅(HPS)。在溶液中,HPS分子周围的苯环可以通过Siligril环中心周围的单键自由旋转。这个练习消耗激发态的能量,从而淬灭HPS分子的荧光。在聚集状态下,HPS分子的螺旋桨构型防止了堆积和荧光淬灭;由于空间的限制,分子内的旋转受到很大的阻碍。分子内旋转(RIR)的这种限制抑制了激发态的非辐射衰减,并打开了使HPS聚集体能够有效地发光的辐射跃迁通道。

  为了验证RIR的工作机理,通过改变外部环境(降低温度,增加粘度,施加压力等)或改变分子结构本身(使用共价键锁定外部分子)来分子内旋转是不容易的转子)上。在这些条件下,AIE分子发光的增强证实了有限的分子内旋转的确是造成荧光增强的原因,即RIR过程是AIE效应的主要原因。

  除了旋转之外,分子也可以振动。振动也会消耗能量,导致光线减弱。然而,一旦分子聚集,分子内的振动也会增加聚集体的发光,从而产生AIE效应。旋转和振动都是分子内运动,因此我们将AIE机制从RIR扩展到更一般的分子内运动(RIM)模型。

  我们经常说,一个正确的机制或模型应该具有双重作用:一个是帮助理解之前观察到的,更重要的是指导未来的分子结构设计。我们怀疑,如果RIM机制是正确的,只要在单一分子状态下易于旋转或振动,任何一个分子都可能表现出AIE效应。因此,我们设计并合成了一系列易于旋转或振动的分子,并乐于发现它们都具有AIE活性。这一方面证实了所提出的RIM机制的正确性,另一方面使我们能够容易地开发覆盖整个可见光范围的AIE材料系统。

  上面讨论的AIE系统发射荧光以及磷光。尽管磷光比荧光更重要,但教科书告诉我们有机分子溶液在室温下不能发出长寿命的磷光。那么在解决方案中,聚合状态呢?我们惊喜地发现一些简单的有机分子晶体发出长寿命的磷光。这种奇特的结晶诱导的AIE现象使我们能够实现纯有机聚集体的有效室温磷光。

  有机分子是发光的并且通常需要共轭电子结构,所以传统的发光材料是芳香族或富含苯的化合物。没有苯环光的分子吗?这个问题是非常重要的,因为在自然界的许多分子不包含苯环。我们发现许多不含芳香环的合成聚合物和天然产物发出荧光和磷光。这些分子的结构特征富含杂原子。这些杂原子是高度负电性的,具有孤对电子,它们的空间电子相互作用导致形成刚性的簇结构。这些簇发光作为发色团,因此我们将其命名为簇发光。

  氧,氮,磷,硫等杂原子可以形成一个簇状结构,所以理论上可以轻。自然界中许多物质富含杂原子,有团簇发光,例如在紫外光照射下可以照射大米,淀粉,纤维素,蛋白质,DNA等。簇发光为我们找到天然发光材料开辟了一条新的道路。通过AIE方法,我们正在寻找自然光线,无毒,环保,可能性非凡的发光材料。

  (汉阳美饰)

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