華東理工大學田禾院士和馬驤教授團隊設計了一種構(gòu)建純有機室溫磷光材料的摻雜體系，只需要將普通的熒光染料摻雜進一種季銨鹽聚合物中，無需對該染料進行任何化學修飾，即可賦予其發(fā)出室溫磷光的性質(zhì)。

因能在黑暗中熠熠發(fā)光，夜明珠被視為人間寶物。但傳統(tǒng)的夜明珠都是能發(fā)出磷光的高標準天然無機材料，科學家們一直希望設計出無需任何化學修飾就能發(fā)出室溫磷光(RTP)的有機材料。

科技日報記者8月1日從華東理工大學獲悉，該校費林加諾貝爾獎科學家聯(lián)合研究中心的田禾院士和馬驤教授團隊設計了一種構(gòu)建純有機室溫磷光材料的摻雜體系，為眾多的化學和材料科學工作者提供了一種設計磷光材料的便捷手段。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期國際著名期刊《德國應用化學》上。

解決了激發(fā)三重態(tài)的穩(wěn)定問題

發(fā)光可分為磷光和熒光。磷光是一種特殊的發(fā)光現(xiàn)象。與常見的熒光不同，磷光的壽命更長，可從數(shù)毫秒到數(shù)小時，而且其發(fā)射波長距離激發(fā)波長更遠。在當今世界，各種各樣的磷光材料更因其獨特性質(zhì)在防偽、分子開關(guān)、生物成像等領(lǐng)域有著廣泛的應用，也受到了化學、材料科學和生命科學工作者的關(guān)注。然而，夜明珠等傳統(tǒng)無機磷光材料大多包含貴金屬，成本高且毒性大。純有機分子毒性低，但通常僅在極低溫(如液氮溫度)和惰性氣體中才能發(fā)出磷光。純有機室溫磷光材料雖然通過各種手段也取得了一定的進展，但依然需要精巧的分子設計和復雜的合成手段。

馬驤說：“實現(xiàn)有機分子的RTP，主要需解決激發(fā)三重態(tài)即一種特殊的電子激發(fā)狀態(tài)的產(chǎn)生和穩(wěn)定問題”。研究團隊開發(fā)出了一種新穎的摻雜體系，只需要將普通的熒光染料摻雜進一種季銨鹽聚合物中，即可賦予其RTP性質(zhì)，而無需對該染料進行任何化學修飾。該聚合物具有溴離子，可以通過一種名為外部重原子效應的作用使得受激發(fā)的染料從單重態(tài)轉(zhuǎn)化為三重態(tài)。同時，溴離子又和聚合物主鏈上的季銨陽離子形成強大的離子鍵網(wǎng)絡。馬驤說，這樣的剛性網(wǎng)絡會像“籠子”一樣將染料分子牢牢“控制”住，抑制了激發(fā)三重態(tài)以放熱的方式失活，從而使其發(fā)出磷光。

研究團隊成員嚴子昂解釋說，相對于共聚和結(jié)晶來說，摻雜策略很顯著的優(yōu)勢就是，只需要把熒光染料和基質(zhì)物理混合，不需要經(jīng)過化學修飾就能把發(fā)出磷光的官能團鍵合在染料上。其次，摻雜策略具有很高的普適性，在日常生產(chǎn)中沒有較高的技術(shù)要求，是一種相對簡單的物理手段。“現(xiàn)存熒光染料只要在水、乙醇或者二甲基甲酰胺等溶劑當中有一定溶解度，很多都能通過該摻雜策略發(fā)出磷光，這極大擴展了此策略的使用范圍。”嚴子昂說。

在磷光防偽領(lǐng)域應用潛力巨大

該策略還具有良好的通用性，包括萘亞胺、聯(lián)萘酚、硫酸奎寧在內(nèi)的多種傳統(tǒng)熒光體經(jīng)摻雜后都展現(xiàn)出了顯著的磷光效應。由于不同染料的內(nèi)稟性質(zhì)不同，各摻雜體系的磷光光譜也顯現(xiàn)出各不相同的波長和峰形，有效滿足了科學工作者對不同性質(zhì)的磷光材料的需求。

據(jù)悉，羅丹明B等染料在該聚合物中不僅發(fā)出了RTP，還通過反系間竄越過程發(fā)出了熱激活延遲熒光(TADF)，這是一種壽命比熒光更長的延遲熒光。TADF的產(chǎn)生也需要激發(fā)三重態(tài)的參與，這表明該摻雜策略不僅適用于磷光，還適用于其他涉及激發(fā)三重態(tài)的光物理和光化學過程。與晶態(tài)RTP材料不同，粉末X射線衍射表明，這些摻雜材料處于無定形態(tài)，說明這樣的材料不需要晶體嚴格的生長條件，因此更易加工。該策略將為磷光材料的設計、應用以及有機分子激發(fā)三重態(tài)的研究提供一種便捷的手段。

像夜明珠一樣的高效率、長壽命的純有機室溫磷光材料，未來將會得到廣泛應用。馬驤介紹說，磷光的特點是，當紫外線、陰極射線、X射線、加熱等激發(fā)源撤除之后，材料仍可繼續(xù)發(fā)光，這類材料在防偽領(lǐng)域應用潛力巨大。比如人民幣上面用一些熒光材料來防偽，拿紫外線燈去照射時，它會發(fā)亮，但是這種發(fā)光性非常單一，如果在光源撤去之后還能再亮一段時間，發(fā)光的顏色甚至還和紫外線燈照射時的顏色不一樣，那就大大增強了人民幣的不可偽造性。這項技術(shù)還可用于制造其他易偽造商品的防偽標簽。(記者 王 春)

關(guān)鍵詞： 有機室 磷光防偽領(lǐng)域 應用潛力 磷光材料