Light | 藍相液晶助力圓偏振發光

▎本文由論文作者團隊投稿

▎導讀

圓偏振發光材料在三維顯示、生物傳感、加密防偽、光催化不對稱合成等領域具有廣泛的應用前景。基于手性液晶的圓偏振發光材料因具有較高發光不對稱因子（g???）和刺激響應性能而被廣泛研究。然而，小分子液晶的流動性限制了實際應用場景，聚合物液晶的剛性網絡則抑制了刺激響應功能。因此，開發具有多重響應、高g???值且易于加工的CPL材料成為一項挑戰。

基于此，來自北京化工大學的郭金寶教授課題組與東南大學李全院士團隊合作，在CPL材料領域取得重要進展，他們將量子點與藍相液晶彈性體結合，制備了全彩色和機械可調的CPL材料，并深入探討了藍相液晶誘導CPL背后的復雜機制。該研究成果以“When Quantum Dots Meet Blue Phase Liquid Crystal Elastomers: Visualized Full-Color and Mechanically-Switchable Circularly Polarized Luminescence”為題在線發表在Light: Science & Applications。

本文共同第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院碩士生李山和東南大學化學化工學院博士生湯玉琪，通訊作者為北京化工大學郭金寶教授和東南大學李全院士。

▎正文

圓偏振發光(CPL)是指手性發光體系在激發下發射出具有差異的左旋和右旋圓偏振光的現象。發光不對稱因子g???是衡量CPL的重要參數，該值范圍從+2到-2，分別對應理想的左旋和右旋圓偏振光。CPL材料在三維顯示、生物傳感、加密防偽、光催化不對稱合成等領域具有廣泛的應用前景。手性液晶材料通常自組裝成具有周期性的手性螺旋結構，將手性液晶軟模板與發光材料相結合是實現CPL的途徑之一。然而，小分子液晶體系必須封裝在液晶盒中，限制了其實際應用場景；聚合物液晶體系的剛性網絡則抑制了材料的刺激響應功能。并且，在手性液晶體系中，CPL的放大通常是通過熒光發射和光子帶隙之間的匹配實現的，這需要精確調節添加到體系中的手性劑的含量。

藍相（BP）是一種介于各向同性態和膽甾相之間的特殊相態。與傳統的一維手性液晶光子晶體相比，藍相液晶（BPLC）展現出許多獨特的優勢，例如較窄的光子帶隙、更高的有序度和以及更復雜的手性環境等。這使得BPLC在制備CPL材料上展現出巨大潛力。

北京化工大學的郭金寶教授課題組與東南大學李全院士團隊合作，將量子點引入藍相液晶當中，制備了熒光藍相液晶彈性體（QD-BPLCE）薄膜。所得到的QD-BPLCE薄膜表現出優異的手性光學特征，包括在自然光下明亮的圓偏振結構色和在365nm光照下最大g???值為0.74的可辨別CPL發射。通過引入不同種類的量子點實現了全彩色的CPL。

圖1：QD-BPLCE的制備和表征。

研究團隊還深入探討了藍相液晶誘導CPL的機理。在傳統的膽甾相液晶中，CPL信號的產生是由于熒光波段和光子帶隙匹配產生的。因此右旋的膽甾相液晶選擇性反射右旋偏振光，透過左旋偏振光，誘導出左旋的CPL信號。而在藍相液晶中，CPL信號由高手性環境誘導產生，因此右旋的藍相液晶誘導出右旋的CPL信號，并且無需光子帶隙匹配即可實現較高的g???。

圖2：CPL發射的比較：QD-BPLCE與CLCE。

圖3展示了不同形變比例下QD-BPLCE的CPL信號，當形變量達到20%時，最大|glum|僅有0.0645，當形變量40%時最大|g???|僅有0.006。表明，機械力刺激會引起QD-BPLCE的CPL信號消失。這主要是因為在拉伸過程中， QD-BPLCE的晶格被縱向拉伸，手性結構被破壞。CPL信號發生了從有到無的變化。

圖3：機械調控QD-BPLCE的CPL信號。

機械力刺激誘導的CPL信號消失屬于臨時形態。一旦撤去外加的機械力，QD-BPLCE會自動恢復到初始態，CPL信號再次出現。由于體系中含有動態二硫鍵分子，利用體系中動態二硫鍵的熱編程作用，還可以實現CPL信號的永久擦除，并實現信息的寫入。

圖4：熱調控QD-BPLCE的CPL信號。

基于QD-BPLCE獨特的機械/熱的CPL調諧性能，進一步探索了其在防偽及信息加密的應用。首先，通過設計圖案實現了多層防偽認證。其次，通過部分拉伸QD-BPLCE實現信息的寫入，并通過熱編程實現了信息存儲。最后，通過組合不同類型的QD-BPLCE，實現了多級信息加密，利用了其在不同狀態下的光學行為，有效防止信息泄露。這些結果表明了QD-BPLCE在防偽和信息存儲及加密領域的潛力，并為未來應用提供了新的思路。

圖5：QD-BPLCE的防偽及新型加密應用。

這項創新性的工作不僅在理論上研究了藍相液晶誘導CPL的機理，而且在實際應用方面也展示了巨大的潛力。這種新型的具有機械響應的CPL材料可用于防偽、信息存儲及加密等領域。

此外，這項工作還展示出了藍相液晶在構筑CPL材料中的巨大潛力，為未來開發更高效的CPL材料提供了新的思路和方法。

▎論文信息

Li, S., Tang, Y., Fan, Q. et al. When quantum dots meet blue phase liquid crystal elastomers: visualized full-color and mechanically-switchable circularly polarized luminescence. Light Sci Appl 13, 140 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01479-1

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