关于具有电场和温度双重响应的高glum值圆偏振手性发光液晶材料的构筑及性能研究学术资讯

来源：ACS美国化学会

圆偏振发光 (Circularly Polarized Luminescence, CPL) 是指手性发光体系受激后发出具有差异性的左旋和右旋圆偏振光的现象。对圆偏振发光材料的研究不仅能很好地揭示手性分子处于激发态时的结构信息，而且有助于我们更深入地理解手性的产生、传递及放大机制。由于圆偏振发光材料在不对称催化、化学传感器/探针、液晶显示器背光源、3D显示、光学防伪等领域具有广阔的应用前景，近年来受到了研究者们的广泛关注。发光不对称因子 (glum) 是决定能否实现圆偏振发光材料应用的关键参数，如何提升CPL材料的glum值一直是该领域研究的核心问题之一。另一方面，刺激响应性CPL材料作为一类新型的智能光学材料，能通过响应外界刺激去调控自身的CPL性能 (即波长、强度和手性反转)。因其在防伪加密和传感器件领域具有潜在的应用价值，最近也获得了广泛的研究。然而，刺激响应型CPL体系的glum值往往不高，大都小于10-1量级，同时这些材料一般只能对单一的外界刺激做出响应。双重或多重刺激响应型CPL材料有助于提高防伪加密技术的安全性，因此实现兼具双重甚至多重刺激响应性和高glum值的CPL材料具有重要意义，同时也具有挑战性。

在增强CPL材料glum值的方法中，手性超分子组装是一种有效的策略，通常能使glum达到10-2量级，另一种有效的策略是构筑具有螺旋组装结构的手性发光液晶，研究表明，这种螺旋的组装结构能有效的放大分子的内在手性，可使材料的glum值高达10-1甚至更高的数量级。将手性基团通过共价键引入发光液晶基元或将手性发光染料掺杂至向列相液晶是获得光发射胆甾相液晶的常用方法，相比于前者，后者在手性发光染料的种类选择、掺杂量的控制等方面比较灵活，因此更容易实现对材料CPL性能的调控。此外，这种掺杂型胆甾相液晶的螺旋组装结构对温度和电场非常敏感。基于此，为了实现兼具双重刺激响应性和高glum值的CPL材料，湘潭大学化学学院张海良教授团队将手性发光分子NO2-CS-C6-Chol掺杂至向列相液晶5CB中，在胆甾醇手性结构的诱导下，NO2-CS-C6-Chol和5CB共同组装成具有螺旋结构的胆甾相液晶 (图1)。

图1. 掺杂剂NO2-CS-C6-Chol诱导5CB形成具有螺旋结构的胆甾相液晶。

研究发现，这种具有螺旋组装结构的发光胆甾相液晶表现出非常强的手性光学信号(图2)。随着NO2-CS-C6-Chol掺杂量的增加，glum值逐渐增大，当掺杂量为6 wt%时，达到最高值-0.38。继续增大掺杂剂的含量，glum值出现轻微地降低，但都处在10-1量级。

图2. 不同NO2-CS-C6-Chol掺杂浓度的胆甾相液晶的手性光学性能。

将掺杂6 wt% NO2-CS-C6-Chol的胆甾相液晶注入导电液晶盒并施加直流电场 (图3)。随着施加的电压值逐渐增大，胆甾相液晶由最初的平面态转变为焦锥态，最终液晶分子沿着电场方向垂直于基板排列，此时，螺旋组装结构解体。在检测CPL信号随电压的变化规律时发现，胆甾相液晶处于平面态时，信号最强；当进入焦锥态时，CPL信号会明显地减弱；在施加10 V的电压后，螺旋组装结构解体，CPL信号完全消失。撤掉电压后，CPL信号能快速地回复至初始状态。表明成功实现了电场对CPL性能的可逆“开-关”切换。

图3. 电场对发光胆甾相液晶CPL性能的可逆调控。

基于热致型液晶相结构的温度依赖性，进一步研究了上述掺杂6 wt% NO2-CS-C6-Chol的胆甾相液晶在不同温度下的CPL性能 (图4)。结果表明，随着温度的增加，CPL信号逐渐减弱；当温度升高至40 ℃时，胆甾相液晶进入各向同性态，螺旋组装结构解体，此时，分子的排列是无序的，导致CPL信号完全消失。随着温度的降低，分子又能重新组装成螺旋结构，再次形成胆甾相液晶。此时，CPL信号回复至初始状态。表明成功利用温度对相结构的调控作用实现了对发光胆甾相液晶CPL性能的可逆“开-关”切换。