華東理工朱為宏&鄭致剛最新Nature Photonics： 內源手性光控開關在光編碼液晶超結構中應用

【背景介紹】

在軟物質超結構材料中，液晶具有優異的外場響應性、自組裝性和動態可調諧性，廣泛應用于成像和顯示等領域。然而，光調控液晶分子的有序排列、自組裝行為和多維尺度上動態精準調控仍是一項嚴峻挑戰。傳統光敏材料（如偶氮苯、螺吡喃）通常熱不穩定，二芳基乙烯（DAE）作為熱穩定性優異的化合物被引入液晶中，但DAE通常表現為一對外消旋體，故需通過引入外接手性基團來實現其手性調控功能。鑒于外接手性基團的DAE在光照閉環后容易產生含有多手性源的非對映異構體，在液晶微腔中產生多疇結構，破壞液晶分子的有序排列，從而產生光散射現象，進一步影響其光學應用，如光譜畸形、圖像邊緣粗糙等問題。此外，目前報道過的DAE液晶體系動態調控波長范圍較窄。

?【成果簡介】

近期，華東理工大學化學與分子工程學院、材料生物學與動態化學教育部前沿科學中心朱為宏教授、物理學院鄭致剛教授和諾獎中心Feringa教授合作，在光編碼液晶超結構應用取得突破性研究進展。該工作基于朱為宏課題組所發展的獨特“位阻性烯橋光控體系”，發展了一類雙穩態內源手性二芳基乙烯分子。與外接手性基團所帶來的手性調控相比，內源手性的轉變僅來自于開環體的軸手性與閉環體的中心手性之間的變化，非常有效地避免了含有多手性源的非對映異構體的產生，從分子設計源頭創新解決了液晶微腔中的多疇結構問題。此外，通過在側鏈修飾類似液晶單體的結構單元，進一步提升了光控分子與液晶的相容性、螺旋扭曲變量（HTP）、熱穩定性以及抗疲勞度。該類內源手性光控開關完美解決了軟物質光子學中動態調控范圍窄、結構穩定性弱、抗疲勞度差、光散射和光譜畸形等問題，突破性地實現了從近紫外到近紅外區的寬范圍、多穩態、強抗疲勞度的動態調控，并開創了可逆、可擦、漸變、角度依賴、內嵌式微結構的多重防偽新技術，有力推進了防偽領域新時代的發展。相關研究成果以“Digital photoprogramming of liquid-crystal superstructures featuring intrinsic chiral photoswitches”為題，發表在國際權威學術期刊《Nature Photonics》。

【圖文解讀】

圖一、基于內源手性光開關的光編碼液晶超結構

圖二、內源手性和外接手性基團的HPLC、CD光譜、熱穩定性和抗疲勞度對比

圖三、動態可逆光調控液晶螺旋超結構

圖四、動態可逆光調控液晶螺旋微腔結構

圖五、可逆、可擦、漸變、角度依賴、內嵌式微結構的多重防偽新技術

【工作總結】

手性液晶自組裝可以實現光學超結構的動態調控，然而由于缺乏一類合適的手性光敏分子，使得光調控超結構體系面臨著動態調控范圍窄，結構穩定性弱、抗疲勞度差等瓶頸。針對這些瓶頸，發展了一類雙穩態內源手性二芳基乙烯分子，開創了多穩態、光可編輯的光子超結構，解決了軟物質光子學性能瓶頸，實現了可逆，可擦，漸變，角度依賴，內嵌式微結構的多重防偽技術，開啟防偽領域新時代。

需指出的是，該技術已申請知識產權保護（PCT專利，PCT/CN2020/120431；中國發明專利，申請號 202010425456.8），并成功應用于2021年我校本科新生錄取通知書的“光控變色校徽”設計中，通過短波長的紫外光和長波長的可見光進行交替照射，實現多穩態、光響應的“校徽”顏色變化調控。

英國皇家學會院士、牛津大學蘭卡斯特教授Stephen Morris在同期“news & views”欄目對該項研究撰寫特別評述，著重強調：這是一項令人振奮的策略（an exciting new strategy），通過一種具備熱穩定性、強抗疲勞度和廣螺旋扭力調制的內源手性分子光開關，完美解決了早期傳統外源手性光開關液晶體系所面臨的問題，推動相關領域研究向前邁進了重要的一步（an important step），解鎖了光可編程新技術的發展。

該研究工作主要是由我校化學與分子工程學院博士生胡宏龍在朱為宏教授和鄭致剛教授的指導下，與我校張志鵬教授、曲大輝教授和諾獎中心Feringa教授合作完成，并得到了田禾院士的大力支持。該研究工作還得到了材料生物學與動態化學教育部前沿科學中心、國家自然科學基金基礎科學中心項目、國家自然科學基金委優秀青年科學基金、上海市科技創新計劃重大專項、上海市曙光計劃等項目的支持。

原文信息：Zhigang Zheng, Honglong Hu, Zhipeng Zhang, Binghui Liu, Mengqi Li, Da-Hui Qu, He Tian, Wei-Hong Zhu*, Ben L. Feringa*, Digital photoprogramming of liquid-crystal superstructures featuring intrinsic chiral photoswitches, Nature Photonics, 2022, 16, 226–234. https://doi.org/10.1038/s41566-022-00957-5

Nature Photonics亮點評述：Nature Photonics, 2022, 16, 174–181. https://doi.org/10.1038/s41566-022-00967-3.

光控變色校徽：

https://www.bilibili.com/video/av376665551

https://news.ecust.edu.cn/2021/0718/c160a159861/page.htm