Chem:史上最亮螢光材料誕生

2020-12-05 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學

撰稿 | 蔡昊 博士生（北京科技大學）

01

導讀

螢光染料是指吸收某一波長的光後發射出另一波長光的有機化合物，它在生物標記、太陽能技術等領域都扮演著重要角色。傳統的螢光染料在液體狀態下發光，但當它們被製成固態材料時，由於螢光分子之間的相互作用，幾乎沒有任何染料可以保持其原有優異的發光性能，進而限制了其應用轉化。

圖源：Grand Valley State University

近日，美國印第安納大學的Flood教授、丹麥哥本哈根大學的Laursen教授領導的研究團隊為這個困擾了科學家150年的問題找到了解決方案。通過將螢光染料和含有一種大環化合物—氰星(cyanostar)的無色溶液混合，凝固形成小分子離子隔離晶格(SMILES)來阻止螢光分子之間的相互作用, 完美地將染料的光學性質復刻到固體材料中，創造了有史以來最明亮的螢光材料。該成果以 Plug-and-Play Optical Materials from Fluorescent Dyes and Macrocycles 為題發表在Cell Press旗下期刊《Chem》上。

封面圖：使用3D列印技術製作摻有SMILES材料的螢光螺旋立方體

圖源：Flood教授

02

背景介紹

螢光對於光學領域中的許多技術（如OLED）都至關重要，大量螢光材料通過混合和匹配離子結構單元來控制光學性能的手段製備而成，其中就包括革命性的滷化鉛鈣鈦礦。在眾多染料分子中也很容易看到螢光，這些染料分子在稀溶液中顯示出明亮的發光。

儘管已知有超過100,000種螢光染料存在，但是幾乎沒有任何染料能以一種可預測的方法匹配和設計發光材料，由他們轉化成的固態材料分子緊密排列並相互幹擾，產生螢光猝滅和電子耦合問題。Flood教授將這一現象形象地比喻成聽故事的孩子們，「當染料在固體中並肩站立時，它們情不自禁地「觸碰」彼此，就像坐在一起的小孩兒一樣互相干擾，不再像個體一樣行事。」並且轉化成固態後染料的顏色會發生改變，量子效率也會降低（圖1）。

圖1 固態染料的螢光猝滅

圖源：Chem, 2020, 6(8): 1978-1997. Fig.1

想要將高性能螢光染料製成具有優良光學特性的固態螢光材料，規避耦合和發射猝滅是關鍵。以往的工作中，許多規避猝滅的策略依賴於螢光團的空間隔離。科學家們利用陽離子染料與大的陰離子聯合組裝(co-assembly)，雖然可以復刻光學性質，但是並不能達到根據需要設計材料的目的。

03

創新研究

為了解決這一問題，Flood教授和Laursen教授的研究團隊使用了一種被稱為氰星(cyanostar)的環狀分子來分離帶正電荷的螢光染料分子和它們的反陰離子，氰星分子就像甜甜圈一樣，將反陰離子包裹在中空孔道中，而陽離子染料位於外部（圖2）。通過這種方法，材料以分層自組裝(Hierarchical self-assembly)的方式【拓展：】，從一個初始的結構基序開始，逐步創建一個複雜的分子。正離子和負離子在一個「棋盤格」中電荷疊加，就像在氯化鈉的晶格中看到的那樣。所以當溶液凝固時，染料分子被分開。這些棋盤格被稱為小分子離子隔離晶格(SMILES)。

圖2 利用螢光染料製備SMILES材料

圖源：Chem, 2020, 6(8): 1978-1997. Fig.1

研究人員使用多種商業染料驗證了SMILES材料的普適性，發現氰星的特性使它能夠輕鬆容納幾乎任何陽離子染料，並完美復刻原有的發光性質（圖3）。雖然之前的研究已經開發出利用大環分子來分隔染料的方法，但它依賴於彩色大環完成這項工作，液態染料的光學特性並不能完美復刻。Flood教授和Laursen教授的工作，創新之處在於材料結晶同時產生了螢光團的空間和電子隔離，並且使得利用陽離子染料合理設計，理解和發現先進光學材料成為可能，從而無縫地規劃從分子到材料的靶向光學特性。

圖3 商業染料單獨以及整合成SMILES材料的螢光表現

圖源：Chem, 2020, 6(8): 1978-1997. Fig.5

04

應用與展望

SMILES材料是由螢光染料組成的第一類「即插即用(plug-and-play)」光學材料, 染料可以直接在SMILES材料中使用而無需優化或調整。Flood教授說:「我們現在可以通過設計而不是反覆試驗來製造更多的這種先進光學材料，這就是這種材料的力量。」

SMILES材料是目前已知的單位體積亮度最高的螢光材料，它的一個潛在應用價值是幫助自動駕駛汽車確定它們在道路上的位置。車輛通過向路邊編碼有SMILES材料的物體發出光，接收返回的信號然後獲取位置信息。另外，SMILES材料還可以應用於太陽能電池、固體雷射器、醫學診斷、生物標記以及3D顯示等領域。

文章信息

Chem, Volume 6, Issue 8, 6 August 2020, Pages 1978-1997

原文地址

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.029

【】

公眾號時間軸改版，很多讀者反饋沒有看到更新的文章，據最新規則，建議：多次進「中國光學」公眾號，閱讀3-5篇文章，成為「常讀」用戶，就能及時收到了。

歡迎課題組投遞成果宣傳稿

轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024

Banner 區域

往期推薦

走進新刊

開 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 網 站：www.light-am.com

敬請期待

新 刊：eLight

ISSN 2662-8643

即 將 隆 重 上 線

這是中國光學發布的第1395篇，如果你覺得有幫助，轉發朋友圈是對我們最大的認可

【長春光機所·Light學術出版中心-期刊導航】

原標題：《Chem：史上最亮螢光材料誕生》

閱讀原文

相關焦點

  • Chem：史上最亮螢光材料誕生
    傳統的螢光染料在液體狀態下發光，但當它們被製成固態材料時，由於螢光分子之間的相互作用，幾乎沒有任何染料可以保持其原有優異的發光性能，進而限制了其應用轉化。創造了有史以來最明亮的螢光材料。02 背景介紹螢光對於光學領域中的許多技術（如OLED）都至關重要，大量螢光材料通過混合和匹配離子結構單元來控制光學性能的手段製備而成，其中就包括革命性的滷化鉛鈣鈦礦。
  • 困擾150年的問題終於解開,史上最亮螢光材料誕生… | Weekly New (第30期)
    應該有很多人都記得小時候玩過的螢光手環，買回來之後折一折甩一甩，到了晚上就會發出各種顏色的光，還會帶在手上和小夥伴一起比誰的最亮。但是經常出現的一個問題就是，過不了多久，螢光棒就會逐漸黯淡下去，不會再維持原有的亮度。其實，這是螢光材料面臨的一個最普遍的問題，並且困擾了科學家們150年之久。
  • 世界上最亮螢光材料誕生!可應用於太陽能電池、信息存儲或OLED屏等
    ，開發了一種保留螢光染料光學特性的新材料，「地球上最亮的材料」誕生了！當染料進入固態時，它們往往會發生「猝滅」——降低螢光強度，從而產生更柔和的輝光。而隨著一種叫做小分子離子隔離格(SMILES)的新型材料被開發出來後，得以克服長期存在的製造螢光固體的障礙。這種「SMILES」新型材料混合了一種有色染料和一種無色的星形分子，這種分子阻止螢光分子相互作用，使它們保持明亮。這項工作並不只是為了好玩！
  • 科學家打造出現存最亮的螢光材料
    來源：cnBeta.COM據外媒報導，科學家通過克服一些技術上和長期存在的障礙成功地製造出了被稱為現存最亮的螢光材料。研究人員已經成功地將高螢光染料的特性轉移到固體光學材料上，這為從下一代太陽能電池到高級雷射器的發展開闢了新的可能性。 據悉，這項研究由印第安納大學和哥本哈根大學的科學家聯合展開，他們打算解決150年前的螢光染料使用問題。
  • 科學家打造出現存最亮的螢光材料
    本文轉自【cnBeta.COM】；據外媒報導，科學家通過克服一些技術上和長期存在的障礙成功地製造出了被稱為現存最亮的螢光材料。研究人員已經成功地將高螢光染料的特性轉移到固體光學材料上，這為從下一代太陽能電池到高級雷射器的發展開闢了新的可能性。
  • 化學家創造出最亮螢光材料
    （SMILES）的新型材料中，化合物燦爛的光芒可以無縫地轉化為固態結晶狀態。這一進展克服了長期以來開發螢光固體的障礙，有助於開發目前已知的最亮材料。「這些材料在任何需要明亮螢光或設計光學特性的技術上都有潛能，包括太陽能收集、生物成像和雷射。」美國印第安納大學化學家Amar Flood說。他與丹麥哥本哈根大學的Bo Laursen均為該論文的資深作者。
  • 化學家創造出最亮螢光材料 還能收集太陽能
    8月6日，研究人員在Cell Press細胞出版社旗下期刊Chem（《化學》）上報告說，通過將帶正電荷的螢光染料合成到一種名為小分子離子隔離格（SMILES）的新型材料中這一進展克服了長期以來開發螢光固體的障礙，有助於開發目前已知的最亮材料。「這些材料在任何需要明亮螢光或設計光學特性的技術上都有潛能，包括太陽能收集、生物成像和雷射。」美國印第安納大學化學家Amar Flood說。他與丹麥哥本哈根大學的Bo Laursen均為該論文的資深作者。
  • Chem.:專為ONOO-體內成像而定製的可激活雙光子近紅外螢光探針
    為此，湖北大學毛志強等人精心設計了一種可激活的雙光子近紅外螢光探針DHQ-RD-PN，用於腫瘤中過氧亞硝酸根的活體成像。 3）此外，斑馬魚體內成像顯示，探針在胰腺中積聚，並因添加ONOO-而變亮。值得注意的是，此探針可以利用單光子和雙光子活體螢光成像技術對異種移植4T1腫瘤小鼠的ONOO-產生情況進行成像。
  • 突破150年來淬滅現象瓶頸,科學家設計出史上最明亮固體螢光材料
    螢光材料從醫學生物標記到太陽能電池都能發揮不小作用，然而它有個瓶頸：染料分子在固體狀態下不再發射光子，這也是為什麼螢光棒裡面添加裝了螢光染料的化學物質是液體。現在科學家終於突破150年來一直未解的難題，設計出稱為「SMILES」的新材料，能讓螢光染料分子在固態狀態下發出前所未見的明亮螢光。
  • 三峽大學在有機螢光材料領域取得重要進展
    近日，三峽大學精細化工團隊鄭開波副教授、張諾諾副教授和劉湘博士合作在有機螢光材料領域取得重要進展，創新成果以「用於檢測羰基(包括甲醛、一氧化碳和光氣）的螢光探針的研究進展（Recent progress in
  • 福建物構所熱響應螢光材料研究取得進展
    針對特定的刺激可產生螢光轉變行為的螢光材料又被稱為螢光智能材料，在防偽技術、智能器件等領域有著重要的應用。相對於光、壓力、化學刺激等，熱刺激更容易在日常生活中得以實現，因此基於熱刺激的智能材料的開發在防偽技術的發展中有著重要的意義。
  • 陳根:有史以來最明亮螢光材料,為下一代太陽能電池開闢新可能
    文/陳根螢光染料進入固態時會產生「淬滅」和耦合的問題，使得材料螢光強度逐漸降低，這一問題困擾著當今存在的100000多種染料中的絕大多數。而根據8月6日細胞出版社（Cell Press）旗下期刊Chem上的一份報告，研究人員成功克服了該障礙，創造出有史以來最明亮螢光材料。
  • 陳根：有史以來最明亮螢光材料，為下一代太陽能電池開闢新可能
    文/陳根螢光染料進入固態時會產生「淬滅」和耦合的問題，使得材料螢光強度逐漸降低，這一問題困擾著當今存在的100000多種染料中的絕大多數。而根據 8 月 6 日細胞出版社（Cell Press）旗下期刊 Chem 上的一份報告，研究人員成功克服了該障礙，創造出有史以來最明亮螢光材料。
  • 螢光衣怎麼洗 螢光衣原理 螢光衣一般亮多久
    螢光衣怎麼洗 螢光衣原理 螢光衣一般亮多久 2018-08-21 11:37:10 來源：全球紡織網 螢光衣怎麼洗？螢光衣原理，螢光衣一般亮多久？
  • 螢光棒發的,竟然不是螢光?!那...那它們是怎麼發光的?
    原標題：螢光棒發的，竟然不是螢光？！那...那它們是怎麼發光的？ 在演唱會和夜間爬梯上營造氣氛，螢光棒是一個常見的選擇，你有沒有想過，這些塑料棒棒為什麼掰一下就開始發光呢？ yoyo切克鬧！
  • 深山中的小眾寺廟,一到晚上就會亮起「詭異」螢光
    位於泰國最東邊烏汶府就有一處非常小眾的旅遊勝地。烏汶府是泰國東部最大的府，也是泰國最早能看到日出的地方。這裡已有200多年的歷史了，曾經被寮國統治過。後來泰皇五大帝之首的鄭信大帝（泰國的華裔民族英雄）在1779年帶領軍隊攻打寮國時，重新奪回了該城賜名為「烏汶城」也被稱為「蓮花之城」。烏汶府算是一座邊境小城，因為地理位置較為偏僻所以鮮少有遊客踏足。
  • 史上最耐熱材料誕生!4000攝氏度也不怕
    當說到「耐熱材料」的時候，我們總是很難去想像它們究竟有多耐熱。那麼這麼說怎麼樣：就算把它扔進地球內部也不會熔解。這不是誇張，科學家真的找到了這樣的材料。美國布朗大學的工程師團隊已經開發出了一種包含鉿、氮和碳在內的新材料，或許可以說是目前世界上最為耐熱的材料了。
  • 10萬螢光材料無一倖免，150年來都沒有解決的問題，最近找到答案了！|史上最強螢光材料
    光學材料涵蓋從生物成像到太陽能採集的多種應用，它們由各種材料製得，然而，傳統的螢光染料卻很難進入其中。化學家們在染料的合成上遊刃有餘，但對於如何保證在不損失螢光的情況下將染料與材料結合這件事上卻一籌莫展：當染料在材料中堆積時發生強激子耦合，染料便不再發射光子。目前的10萬多種材料無一倖免，因此將會嚴重阻礙光學材料的發展。
  • 為什麼螢光增白劑會讓物品看起來更亮?
    添加過螢光增白劑的產品，不僅更白而且會更亮。為什麼螢光增白劑可以增亮呢?下面練達化工小編就帶大家進一步的來分析一下螢光增白劑的增白原理。螢光增白劑的增白原理在講增白原理之前，先要了解一下什麼是互補色。螢光增白劑通過吸收肉眼看不見的紫外光,然後再以藍紫色螢光的形式發射出來。這種藍紫色螢光與物體上的黃光混合後(黃為藍紫色的補色)得到白光，從而達到增白增亮的效果。螢光增白劑是如何增亮的紫外線UV(ultraviolet)分為真空，短波，中波，長波，超長波四種。紫外線指的是電磁波譜中波長從 10nm～400nm 輻射的總稱，人們不能看到。
  • 玻璃——因人類文明而誕生發明的最古老人造材料之一
    很多人對玻璃這種材料有著錯誤的印象，以為玻璃是一種近代或現代才發明的年輕材料。這是個錯誤的觀念。玻璃是人類隨著文明的誕生而發明的最古老的人造材料之一。瓶子和石頭在人類發展歷程中，陶是人類發明的最古老的人造材料，發明於距今約1萬年前的新石器時代