圆偏振发光材料的手性反转

圆偏振发光(CPL)材料因其在3D显示、光电器件、手性传感识别及不对称合成等领域的潜在应用而受到广泛关注, 构建手性方向可调的高性能CPL材料是满足不同领域实际应用需求的关键所在. 本文概述了近五年来利用各种外场刺激(如光、温度、溶剂、pH、离子等)调控CPL材料手性反转的研究进展, 简要介绍了CPL材料手性反转的潜在应用, 并针对当前CPL材料手性反转研究面临的挑战以及未来发展进行了讨论.

光的偏振方向随时间变化, 且电矢量的末端轨迹为圆的光称为圆偏振光. 其中, 圆偏振光的电磁矢量以逆时针螺旋方向传播时, 称作左圆偏振光, 反之, 以顺时针螺旋方向传播时则称作右圆偏振光. 具有手性结构的发光体系发射出不同强度的左旋和右旋圆偏振光, 称为圆偏振发光(CPL). CPL不仅反映了发光体系激发态的手性结构信息, 而且在三维(3D)显示器、光学信息存储和处理、光电器件、手性传感以及不对称合成等众多领域具有广泛的应用前景. 发光不对称因子(glum)是评估CPL材料性能的重要指标之一, 其被定义为左右圆偏振发射的相对强度差(glum= ∆I/0.5I= 2 (IL−IR)/ (IL+IR)), 其中IR和IL分别代表右圆偏振发光和左圆偏振发光的强度, |glum|的最大值是2. 除glum值外, 发光量子效率(QY)是评估材料CPL性能的另一个重要参数. 此外, 相比于传统发光材料具有发射波长和发光强度可调的特性, CPL材料还可提供手性发光方向的信息, 因而在3D显示、光电器件、手性传感识别及不对称合成等领域具有重要的潜在应用价值. 因此, 为了满足实际应用需求, 如何开发具备高glum值、高发光量子效率及手性方向可调的CPL材料成为近年来CPL材料研究的重要课题. 迄今为止, 研究者们为了解决高glum值和高发光量子效率问题, 已开发了包括镧系金属配合物、有机小分子、量子点、金属纳米团簇、配位聚合物、超分子组装体、高分子、液晶等各种CPL材料, 但如何实现CPL材料手性方向的反转调控方面还处于起步研究阶段.

CPL材料的手性不仅局限于分子层次, 还有超分子乃至介观层次等更高层次的手性. 在分子层次上, CPL材料的手性反转通常指一个手性分子中的手性中心的构型发生转变, 从一个对映体转化为其镜像对映体. 这一过程涉及分子内部特定共价键的断裂与重新形成或立体构象的转变, 从而导致分子的CPL方向发生反转.CPL材料包含多个层次的结构和超分子手性信息. 与分子手性反转相比, CPL材料的超分子手性反转是弱的非共价作用力(如氢键、π-π堆积等)的可逆性质引发的超分子组装体的立体突变, 从而导致超分子组装体的CPL方向发生反转. 大部分CPL材料在超分子层次的手性反转可通过调整手性组装基元的结构或其化学组分, 以及利用特定外部刺激诱导组装体构象变化来实现. 然而在介观层次上, CPL材料的手性反转体现在由大量有机/无机分子或超分子组装体组成的更大尺度结构(如纳米线阵列、手性液晶模板、光子晶体等)的CPL信号转变. 这种反转可通过材料制备过程的调控以及外部刺激来实现. CPL的手性反转涉及不同层次的手性调控, 深入理解并调控这些不同层次的反转过程, 对于设计并制备出具有手性方向可调的CPL材料至关重要.

与以往综述强调CPL材料glum值和发光效率不同, 本综述着重介绍近五年来CPL材料手性反转的研究进展. 具体而言, 主要讨论了光照、温度、机械力、溶剂、pH、金属离子和阴离子以及非手性化学添加剂等如何调控CPL材料的手性反转(图1); 同时简要介绍了CPL材料的手性反转在手性开关、光学存储以及信息加密与防伪等领域的潜在应用; 最后, 针对当前CPL材料手性反转研究面临的挑战以及未来发展进行了讨论.

图1 CPL材料手性反转的调控方式及潜在应用

本文收录于《中国科学：化学》2024年第8期“手性发光材料专刊”.