通過可調籠型支架實現熱應力超分子納米複合材料中的弗倫克爾激子

2020-11-25 科學網

通過可調籠型支架實現熱應力超分子納米複合材料中的弗倫克爾激子

作者：

小柯機器人

發布時間：2020/11/19 10:47:23

美國紐約城市大學的城市學院Dorthe M. Eisele研究小組的通過可調籠型支架實現熱應力超分子納米複合材料中的弗倫克爾激子。 該研究於2020年發表於國際一流學術期刊《自然—化學》。

非定域弗倫克爾(Frenkel)激子——在發色團之間的相干共享激子——是光合生物體內超分子集光裝置效率顯著的原因。由於所用超分子結構的脆弱性和Frenkel激子的脆弱性，尤其是在溫和變化的溶劑條件和高溫下以及沉積在固體基底上時，自然設計原理在光電器件中的應用受到了限制。

在該研究中，研究人員通過合成穩定的超分子捕光納米管來克服這些功能化障礙，這些納米管由可調諧（~4.3–4.9nm）、均勻（±0.3nm）籠狀支架實現。高分辨低溫電子顯微鏡結合掃描電子顯微鏡、寬頻飛秒瞬態吸收光譜和近場掃描光學顯微鏡，發現籠狀支架內的激子即使在極端熱應力下也具有很強的穩定性，而對納米複合材料尺寸的控制是在固體基底上進行的。

研究人員開發的仿生納米複合材料為開發由穩定超分子材料製成的下一代有機器件提供了一個總體框架。

大自然成功地將超分子組件用於高效和強大的太陽能收集；然而，由於所用超分子結構的脆弱性和Frenkel激子的脆弱性等穩定性問題，限制了模擬此類材料系統在光電器件中應用。現在，在可調籠狀支架的支持下，穩定的超分子光收集納米管已經被合成，即使在熱應力下也很穩定。

附：英文原文

 Title: Frenkel excitons in heat-stressed supramolecular nanocomposites enabled by tunable cage-like scaffolding

Author: Kara Ng, Megan Webster, William P. Carbery, Nikunjkumar Visaveliya, Pooja Gaikwad, Seogjoo J. Jang, Ilona Kretzschmar, Dorthe M. Eisele

Issue&Volume: 2020-11-16

Abstract: Delocalized Frenkel excitons—coherently shared excitations among chromophores—are responsible for the remarkable efficiency of supramolecular light-harvesting assemblies within photosynthetic organisms. The translation of nature’s design principles to applications in optoelectronic devices has been limited by the fragility of the supramolecular structures used and the delicate nature of Frenkel excitons, particularly under mildly changing solvent conditions and elevated temperatures and upon deposition onto solid substrates. Here, we overcome those functionalization barriers through composition of stable supramolecular light-harvesting nanotubes enabled by tunable (~4.3–4.9nm), uniform (±0.3nm) cage-like scaffolds. High-resolution cryogenic electron microscopy, combined with scanning electron microscopy, broadband femtosecond transient absorption spectroscopy and near-field scanning optical microscopy revealed that excitons within the cage-like scaffolds are robust, even under extreme heat stress, and control over nanocomposite dimensions is maintained on solid substrates. Our bio-inspired nanocomposites provide a general framework for the development of next-generation organic devices made from stable supramolecular materials.

DOI: 10.1038/s41557-020-00563-4

Source: https://www.nature.com/articles/s41557-020-00563-4

相關焦點

  • 發光學報 | 當稀土遇見分子籠:新型發光超分子體系
    本期目錄當稀土遇見分子籠：新型發光超分子體系當稀土遇見分子籠新型發光超分子體系01引言光的感知是生物最基本的一種能力，因此發光材料在我們的生產、生活中起著不可或缺的作用。與無機稀土材料相比，稀土-有機超分子體系可以充分利用配體的天線效應敏化稀土發光，且可以通過分子設計實現對組裝體結構和性能的可控調節，最終實現發光材料的智能化設計。然而受限於稀土配位化學的複雜性，多組分稀土超分子體系的設計合成長時間無人問津。02昨天：稀土遇見超分子稀土超分子體系的研究歷史其實由來已久。
  • Mater.綜述:超分子能量材料
    這種通過非共價相互作用在各種溶劑中或在液體或固體中組裝分子結構是超分子材料的重要製備過程。在設計超分子能量轉換材料的仿生方法中，學習自然光合作用系統是一種流行的策略。在植物中，綠葉的光收集蛋白質機器優化了的排列和組裝有效地將太陽光轉化為化學鍵的能力。而在人工系統中，基於使用非共價相互作用的自組裝的策略提供了模擬分子間這種功能相關性的可能性，以優化光催化、光伏和能量儲存。
  • AM: 壓電性可調的多功能氮化硼納米管/聚(二甲基矽氧烷)複合材料
    將氮化硼納米管（BNNT）均勻地分散在可拉伸材料中，例如聚二甲基矽氧烷（PDMS），有望產生具有增強的機械，熱和壓電特性的複合材料
  • JACS 東北師大王新龍、蘇忠民教授團隊在多酸基納米分子籠領域取得新進展
    近期，化學學院王新龍、蘇忠民教授團隊圍繞多酸化學的基本科學問題，在多酸基納米分子籠領域開展系列具有原創性的研究工作。
  • 蘇州大學《Adv Mater》:超分子納米結構,癌症治療新機會!
    本文提出了自組裝膠束納米結構，用於抑制原發性、轉移性和復發性TNBC。該研究為針對TNBC的有效光療提供了超分子納米結構協同性的策略。　　乳腺癌是一種複雜的異質性疾病，在女性中發病率和死亡率最高，三陰性乳腺癌(TNBC)被認為是一種高度惡性的乳腺癌。
  • CCS Chemistry | AIE超分子籠-剛性配體讓溶液態也能高效發光
    吉林大學王明教授和徐斌教授設計併合成了含有四苯乙烯單元的三聯吡啶配位超分子籠，通過提高配體的剛性實現了溶液態下的高效發射，螢光量子效率可達20.79%。配位驅動的超分子組裝是超分子化學中的熱門研究領域之一，由於金屬離子的配位作用具有高度的定向性和可預測性，所以配位組裝是合成具有精確尺寸和形狀超分子結構的有力策略。
  • ChemSusChem:供體-受體氰基咔唑類超分子用於高效的可見光產氫
    深圳大學米宏偉團隊為了解決有機光催化劑面臨的激子結合能高和結晶度低兩大問題，設計了供體-受體超分子體系。光催化分解水制氫是解決能源和環境問題最有前景的途徑之一。然而，由於有機材料固有的高激子結合能和低結晶度的特性，光生載流子的遷移率和電荷分離效率都很低，導致其量子效率遠低於無機材料。超分子通過不同的分子自組裝方式形成晶體，具有靈活可調的結構。這使得更容易構建電學和光學性質可調控的光敏超分子材料，從而提高載流子的傳輸、分離以及擴展光響應。
  • 納米物理學:石墨烯中的電可調三階非線性光學響應?
    納米物理學：石墨烯中的電可調三階非線性光學響應？對二維材料的研究重點已經加強，它具有調節光線以獲得卓越性能的潛力，並實現了可以增強現有技術的應用。據報導，可以使用電柵極電壓在石墨烯中廣泛調諧非線性三次諧波產生（THG，三倍頻）。這有許多潛在的應用 - 石墨烯和其他2-D石墨烯類材料的柵極可調，非線性光學機制對於設計具有極高速度和互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容性的未來片上光子和光電應用是理想的。用於器件製造。之前在其他二維材料中報導了電可調諧二次諧波產生，例如二硒化鎢（WSe2雖然光譜帶寬有限，但是有激子。
  • 原子厚透鏡的激子共振調諧
    最近的嘗試導致了納米光子超表面，其包含由金屬或半導體納米結構的密集陣列製成的平面光學器件。這樣的結構可以基於等離子體共振或米氏共振有效地控制局部光散射相位和振幅。科學家們研究了兩種類型的共振，以實現在跨光場上實現多功能和可控制的小尺寸光學器件。儘管這樣的超表面功能是靜態的，但對於新興的光子應用，如用於三維(3-D)測繪的光方向和測距(LIDAR)，實現動態控制是非常理想的。
  • 【超分子】上海交通大學張紹東課題組JACS:互鎖籠的可控多級自組裝
    但目前，人工構築的組裝結構仍相對簡單；通過提升現有基元的結構複雜度，或者創造全新的組裝基元，則有望達到以上要求。其中，由多個單籠互鎖形成的互鎖分子籠，由於具有豐富多樣的衍生結構和動態的機械鍵連方式，從而會呈現出更加複雜精細的組裝結構以及相應的獨特功能。然而，上述領域的相關研究還未見報導。上海交通大學張紹東課題組此前報導了多種三稜柱型互鎖分子籠的製備（Angew.
  • 田禾院士團隊《AM》:仿珍珠層納米複合材料調控室溫磷光材料中的氧...
    為了擴大RTP化合物的實際應用，需要克服環境條件下激發三重態的快速非輻射衰變（knr）和氧猝滅（kq）等挑戰，以實現RTP的有效激活。一個有效的方法是將發光體保持在相對剛性的環境中，以抑制分子運動，從而降低k nr，最好也抑制通過阻止氧擴散到剛性基體中。剛性化可以通過主客體絡合物、晶體結構、或通過外部基質將發光體困在剛性相來實現。
  • 中國科大發展一種新型生物合成法製備納米複合材料
    納米材料具有許多優異的性能，將納米材料組裝成宏觀尺度體材料可實現微觀性能向宏觀的「集成」，並實現許多新的且單個納米顆粒所不具備的性質，如光學、磁學、電學及離子傳導性能等。但如何將納米材料組裝成宏觀尺度體材料並保持其納米尺度的獨特性能，是納米材料獲得實際應用的關鍵，也是目前面臨的重要挑戰之一。
  • 共軛延伸的彎曲碳納米管片段及其超分子異質結研究獲進展
    近幾年，杜平武課題組致力於自下而上法製備大共軛碳納米管片段，實現了嵌入大共軛片段的扶手椅型[18,18]碳納米管片段的合成，首次利用STM觀測到彎曲共軛納米管片段的分子形貌（Chem. Commun. 2016, 52, 7164-7167. 圖1a）；發展基於鉑配合物四邊形然後還原消除的方法，成功合成全六苯並蔻基[12,12]碳納米管片段（Angew. Chem. Int.
  • 【納米】特異性識別硝酸根的超分子「納米容器」
    X-MOL Tips（點擊閱讀詳情）中國科學院福建物質結構研究所孫慶福教授課題組利用配位自組裝方法製備了一種有機-無機雜化超分子「納米容器」，實現了對硝酸根的特異性識別。硝酸根陰離子在自然界和生物體、以及食品工業中是廣泛存在並且非常重要。由於其本身具有氧化性，硝酸鹽攝入過量可以造成人體藍血症及其他相關疾病。因此對於硝酸根的識別與檢測具有重要的研究意義。然而，由於硝酸根和滷素離子具有相似的離子半徑和電荷密度，常規方法很難做到選擇性地從滷素離子中識別硝酸根離子。
  • 「前沿技術」用金膠構建結構可控且穩定的納米蛋白籠
    ---------- 獲取更多信息，請關注我們----------日本理化研究所聯合多所大學的研究團隊發現，可用金膠誘導納米蛋白籠的自組裝，製成的納米籠結構穩定，並能受控分解，可用於人體內藥物靶向輸送。納米蛋白籠是若干蛋白質亞基構成的中空結構體，在靶向藥物輸送等方面有重要應用。
  • 【超分子】中南大學團隊JACS封面:「卯榫節點」自組裝巨型美學中空納米超分子
    隨著金屬超分子化學的成熟，組裝高度複雜且同時具有數學和藝術美學的功能性超分子結構受到越來越多的關注。這不僅是由於化學藝術的審美需要,同時對於發展超分子體系的組成，進一步發展精確自組裝超大結構的超分子方法學具有非常重要的意義。不管是對於二維還是三維的金屬超分子結構，通過組裝得到巨型剛性且有序的單一結構都極具挑戰性，一方面合成難度極大，另一方面合成得到的結構表徵困難。
  • 從光致變色金屬-有機配位籠到共價有機籠構築及光響應邏輯門應用
    由於具有光誘導的開環和閉環異構化性質，二噻吩乙烯（DTE）型光致變色材料在開關器件、光學存儲器、光電子學、磁學、生物成像和治療等領域有著廣泛的應用。其中，利用 DTE 的光響應特性在分子或超分子水平上構建複合邏輯作業系統是一個很有趣的研究方向。
  • 超分子科學研究進展
    以碳、矽、氧化物與有機分子、齊聚物、共聚物做構築基元，通過組裝可以構築納米點、線、管、帶及其陣列以及中空膠囊、核殼微粒、螺旋體、多股螺旋體等，並賦予這些材料以特種功能，且不同的結構在特定條件下可以相互轉化，其功能也隨之變化。隨著人們對分子識別過程中各種作用力本質的逐漸深入理解，人們已經從製備具有特定結構和功能的構築基元出發來組裝具有多維和高級有序結構的複雜超分子體系。
  • 通過調節激子效應在共價有機框架中實現光催化分子氧活化
    通過調節激子效應在共價有機框架中實現光催化分子氧活化 作者：小柯機器人 發布時間：2020/11/25 16:06:45 中國科學技術大學江海龍課題組近日提出了通過調節激子效應在共價有機框架（COF
  • 鑭摻雜無機納米顆粒點亮分子三線態激子
    鑭摻雜無機納米顆粒點亮分子三線態激子 作者：小柯機器人 發布時間：2020/11/29 21:52:58 劍橋大學Akshay Rao團隊通過鑭摻雜無機納米顆粒點亮三線態激子。