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影响固态有机小分子力响应发光行为的关键因素

作者: 精装之家 来源: 精装之家 发布时间: 2021年04月03日 23:47:42

原创 长光所Light中心 中国光学
分子堆积是单个分子通过分子间非共价键相互作用构筑分子聚集态结构的重要过程,主要以π-π堆积、氢键、卤素键等分子间相互作用作为重要的组装驱动力,主要呈现H-聚集、J-聚集、交叉偶极堆积(X-聚集)等堆积模式。人们观察到有机发光小分子在聚集态时的发光性能与单分子态经常不同,表明有机固体的发光性能不仅仅与单个分子结构相关,还在很大程度上由分子聚集态结构决定,体现出MUSIC特性(Molecular Uniting Set Identified Characteristic)。为了更为方便直观地反映分子堆积对材料性质的影响,基于分子堆积的环境敏感特性,人们通过控制温度、力、溶剂极性、溶液浓度等因素调控分子堆积实现了材料的不同发光性能。其中,有机力刺激响应型材料引起了广大科研工作者的极大研究兴趣,这也是近些年来新兴的研究领域之一。
近日,李振教授团队在《发光学报》发表了题为“分子堆积—影响固态有机小分子力响应发光行为的关键因素”的综述文章,从力刺激响应型有机发光小分子体系出发,概述了在外力作用下力致变色和力致发光材料的作用机制,重点介绍了分子聚集态结构和材料发光行为之间的关系,以及该领域发展过程中所面临的机遇和挑战。
1. 引言
力是一种非常常见的刺激手段和能量输入方式。目前,力刺激响应型有机发光小分子的研究主要集中于力致变色材料和力致发光材料(见图1)。力致变色材料是主要基于材料光致发光的特性、在外力作用下材料的光物理性质发生明显变化的一类材料,当撤掉外力或通过加热、溶剂熏蒸等方式处理之后,材料的光物理性质又可逆恢复到初始状态。外力作用可以改变分子堆积模式,从而实现了发光性能的转变。力致变色材料在文件防伪加密、压敏元件、压致传感等领域具有广阔的应用前景。
与力致变色不同,力致发光又称摩擦发光,是一种古老而神秘的发光现象,是固体材料在外界机械作用力下破裂或者形变而产生发光的现象,实现了机械能向光能的直接转变。已报道的相关研究成果充分证明了其发光性能也与聚集态分子堆积结构密切相关。与传统的光致发光或电致发光材料相比,力致发光材料可以利用日常生活中无处不在的机械能作为激发源,从而有效避免了人工产生光/电激发源的需求,有望作为新一代节能、环保和可持续的发光材料,在照明、显示和智能传感等领域具有潜在应用价值。

影响固态有机小分子力响应发光行为的关键因素

图1 外力作用下的力致变色与力致发光现象示意图
2. 力致变色&力致发光
力致变色与力致发光虽然均为力刺激响应行为,但发光驱动源完全不同。前者受外力作用,分子堆积变化,光致发光光谱发生明显改变,导致变色现象;后者为受到力刺激,晶体破裂的瞬间,电子从基态跃迁至高能态,进而辐射能量得到力致发光光谱,一般较弱。目前,常见应用于力致变色材料研究的力刺激形式主要包括两种:机械研磨力和静压力,两种力刺激形式存在本质差别,前者为各向异性力,后者为各向同性力。通常,机械研磨力导致晶体长程有序结构被破坏,材料由晶态转变趋向于无定型态,从而使其发光性能发生明显改变。静压力则可以有效压缩晶胞体积,增强分子间作用,诱导分子堆积模式改变,从而实现材料发光性能的调控,为深入了解分子聚集态结构与性能的关系提供了新的思路。针对力致发光材料的研究由来已久,普遍认为力致发光现象主要来源于晶体破裂表面压电效应的产生,同时通过对分子多晶相和结构修饰的研究,进一步说明越为丰富的分子间相互作用,越能够有效地抑制非辐射跃迁,减少能量损失,从而产生力致发光现象。
3. 总结与展望
分子堆积方式和分子间相互作用在材料的力刺激响应特性中扮演着十分重要的角色。通过施加外力、调控分子堆积方式的有序或无序改变,从而触发力致变色和力致发光现象,如图2所示。但是,目前,由于仪器技术方面的限制,对于同步监测和精准分析外力作用下的分子堆积结构变化存在较高难度。因此,对力刺激响应行为的内源性机制以及分子堆积与性能之间的关系缺乏深入的理解,限制了力刺激响应型材料的进一步发展,这也是该领域所遇到的机遇和挑战。

影响固态有机小分子力响应发光行为的关键因素

图2 外力作用下分子堆积方式以及力致变色、力致发光性能之间的总结示意图。
作者简介
李爱森,博士,天津大学在站博士后,2020年于吉林大学获得理学博士学位,主要从事力刺激响应材料的相关研究。
李振,博士,教授,国家杰出青年科学基金获得者,“科技部中青年科技创新领军人才计划”入选者,国家“万人计划”入选者,英国皇家化学会会士(Fellow of RSC)。研究方向为有机、高分子光电功能材料化学。
文章信息
李爱森, 王金凤, 李振. 分子堆积——影响固态有机小分子力响应发光行为的关键因素[J]. 发光学报, 2021, 42(3):283-295.
编辑 | 赵阳
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原标题:《分子堆积—影响固态有机小分子力响应发光行为的关键因素》
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