华东理工朱为宏&郑致刚最新Nature Photonics： 内源手性光控开关在光编码液晶超结构中应用

【背景介绍】

在软物质超结构材料中，液晶具有优异的外场响应性、自组装性和动态可调谐性，广泛应用于成像和显示等领域。然而，光调控液晶分子的有序排列、自组装行为和多维尺度上动态精准调控仍是一项严峻挑战。传统光敏材料（如偶氮苯、螺吡喃）通常热不稳定，二芳基乙烯（DAE）作为热稳定性优异的化合物被引入液晶中，但DAE通常表现为一对外消旋体，故需通过引入外接手性基团来实现其手性调控功能。鉴于外接手性基团的DAE在光照闭环后容易产生含有多手性源的非对映异构体，在液晶微腔中产生多畴结构，破坏液晶分子的有序排列，从而产生光散射现象，进一步影响其光学应用，如光谱畸形、图像边缘粗糙等问题。此外，目前报道过的DAE液晶体系动态调控波长范围较窄。

 【成果简介】

近期，华东理工大学化学与分子工程学院、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心朱为宏教授、物理学院郑致刚教授和诺奖中心Feringa教授合作，在光编码液晶超结构应用取得突破性研究进展。该工作基于朱为宏课题组所发展的独特“位阻性烯桥光控体系”，发展了一类双稳态内源手性二芳基乙烯分子。与外接手性基团所带来的手性调控相比，内源手性的转变仅来自于开环体的轴手性与闭环体的中心手性之间的变化，非常有效地避免了含有多手性源的非对映异构体的产生，从分子设计源头创新解决了液晶微腔中的多畴结构问题。此外，通过在侧链修饰类似液晶单体的结构单元，进一步提升了光控分子与液晶的相容性、螺旋扭曲变量（HTP）、热稳定性以及抗疲劳度。该类内源手性光控开关完美解决了软物质光子学中动态调控范围窄、结构稳定性弱、抗疲劳度差、光散射和光谱畸形等问题，突破性地实现了从近紫外到近红外区的宽范围、多稳态、强抗疲劳度的动态调控，并开创了可逆、可擦、渐变、角度依赖、内嵌式微结构的多重防伪新技术，有力推进了防伪领域新时代的发展。相关研究成果以“Digital photoprogramming of liquid-crystal superstructures featuring intrinsic chiral photoswitches”为题，发表在国际权威学术期刊《Nature Photonics》。

【图文解读】

图一、基于内源手性光开关的光编码液晶超结构

图二、内源手性和外接手性基团的HPLC、CD光谱、热稳定性和抗疲劳度对比

图三、动态可逆光调控液晶螺旋超结构

图四、动态可逆光调控液晶螺旋微腔结构

图五、可逆、可擦、渐变、角度依赖、内嵌式微结构的多重防伪新技术

【工作总结】

手性液晶自组装可以实现光学超结构的动态调控，然而由于缺乏一类合适的手性光敏分子，使得光调控超结构体系面临着动态调控范围窄，结构稳定性弱、抗疲劳度差等瓶颈。针对这些瓶颈，发展了一类双稳态内源手性二芳基乙烯分子，开创了多稳态、光可编辑的光子超结构，解决了软物质光子学性能瓶颈，实现了可逆，可擦，渐变，角度依赖，内嵌式微结构的多重防伪技术，开启防伪领域新时代。

需指出的是，该技术已申请知识产权保护（PCT专利，PCT/CN2020/120431；中国发明专利，申请号 202010425456.8），并成功应用于2021年我校本科新生录取通知书的“光控变色校徽”设计中，通过短波长的紫外光和长波长的可见光进行交替照射，实现多稳态、光响应的“校徽”颜色变化调控。

英国皇家学会院士、牛津大学兰卡斯特教授Stephen Morris在同期“news & views”栏目对该项研究撰写特别评述，着重强调：这是一项令人振奋的策略（an exciting new strategy），通过一种具备热稳定性、强抗疲劳度和广螺旋扭力调制的内源手性分子光开关，完美解决了早期传统外源手性光开关液晶体系所面临的问题，推动相关领域研究向前迈进了重要的一步（an important step），解锁了光可编程新技术的发展。

该研究工作主要是由我校化学与分子工程学院博士生胡宏龙在朱为宏教授和郑致刚教授的指导下，与我校张志鹏教授、曲大辉教授和诺奖中心Feringa教授合作完成，并得到了田禾院士的大力支持。该研究工作还得到了材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金基础科学中心项目、国家自然科学基金委优秀青年科学基金、上海市科技创新计划重大专项、上海市曙光计划等项目的支持。

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亮点评述：Nature Photonics, 2022, 16, 174–181. https://doi.org/10.1038/s41566-022-00967-3.

光控变色校徽：

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

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