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基于纯有机室温磷光分子的力致发光激发态的研究

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析


力致发光是一种非常重要又独具魅力的发光方式,是指固体材料受到研磨、摩擦或者振动等外力作用时以光的形式对外发出能量。这一现象由来已久,最早由弗兰西斯•培根于1605年在Advancement of Learning 上报道。长久以来,力致发光现象得到了科学界的广泛关注,然而在以往的尝试中,π-π堆积效应导致的聚集诱导淬灭效应严重限制了力致发光的研究进程。


2015年,中山大学的池振国课题组首次将聚集诱导发光(AIE)与力致发光相结合,为这一领域注入了新的活力,由此获得了纯有机力致荧光分子。然而在以往的研究中,大多数的报道都还局限于力致荧光分子,与之相对应的力致磷光分子却鲜有提及,尽管在理论上应该是存在的。2016年,武汉大学李振点击查看介绍课题组首次发现了一种在室温下具有AIE效应的力致磷光分子DPP-BO,为证明激发三线态存在于力致发光过程提供了有利的证据(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 880)。遗憾的是,分子DPP-BO在光致发光过程中没有观察到室温磷光现象,仅在低温(77 K)下才可观察到长寿命的磷光,难以研究力致发光的激发态行为。


近年来,该团队在研究中发现一类具有室温磷光的力致发光材料(CzS-CH3和CzS-C2H5),完美地弥补了以往研究的缺憾。通过晶体堆积分析,并辅助理论计算,作者发现分子二聚体在光致发光和力致发光过程中扮演了重要的角色——在光致发光过程中,分子二聚体的形成有利于分子间电荷转移的产生,从而促进激发单线态到三线态的系间窜越,产生室温磷光;而在力致发光过程中,分子二聚体在机械力的作用下会发生破裂,从而限制系间窜越的产生,导致力致发光光谱更加接近于研磨态的光致发光光谱(包括强荧光部分和弱磷光部分)。


在此次的研究中,他们巧妙地借助成熟的光致发光理论,对力致发光的激发态过程进行充分的解析,极大丰富了该领域的重要相关信息,为今后其他力致发光现象的研究提供了新的思路。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是武汉大学的博士研究生杨杰


该论文作者为:Jie Yang, Xuming Gao, Zongliang Xie, Yanbin Gong, Manman Fang, Qian Peng, Zhenguo Chi, and Zhen Li

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Elucidating the Excited State of Mechanoluminescence in Organic Luminogens with Room-Temperature Phosphorescence

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15299, DOI: 10.1002/anie.201708119


李振博士简介


李振,武汉大学化学与分子科学学院教授;1997年本科毕业于武汉大学化学系,2001年提前留校工作,2002年6月获武汉大学理学博士学位,现就职于武汉大学化学与分子科学学院,教授、博士生导师;2003年11月至2004年11月在香港科技大学化学系唐本忠教授课题组从事科学研究;2010年3月至8月在美国乔治亚理工学院化学与生物化学系Seth Marder教授课题组从事科学研究;2014年1月至2月在新加坡国立大学化学系从事Visiting Professor研究;2007年,获中国化学会青年化学奖;2008年,入选教育部新世纪优秀人才支持计划;2011年获霍英东教育基金会青年教师奖;2012年获湖北省第六届优秀科技工作者;2013年获国家自然科学基金委杰出青年基金;2015年入选科技部中青年科技创新领军人才计划;2016年获宝钢优秀教师特等奖提名奖;2017年当选英国皇家化学会会士;2018年当选英国皇家化学会Chartered Chemist。


李振的主要研究方向为有机、高分子光电功能材料化学,在有机、高分子光电功能材料化学研究方面取得了突出的成绩;提出“合适间隔基团”的概念,对新型高性能二阶非线性光学高分子的设计具有重要的参考价值;发展了多种传感器设计的新策略,较为系统地研究了有机共轭分子堆积状态对其光电性能的影响;至今已发表SCI论文200余篇,他人引用8600余次,h指数为57。


http://www.x-mol.com/university/faculty/13558


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:我们的研究兴趣在于设计合成新的纯有机室温磷光分子,发现CzS-CH3和CzS-C2H5 这两种分子具有力致发光特性。我们能够以成熟的光致发光理论对力致发光的激发态过程进行充分的解析,因而极大丰富了该领域的相关内容。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:该研究中最大的挑战在于如何获得力致发光光谱。由于力致发光时间很短,因此捕捉通过按压晶体发光的方式获得的光谱是一件十分困难的事情。测试力致发光光谱的仪器要求很高,且没有商业化的生产。因此,我们团队与中山大学的池振国教授合作进行了光谱测试的工作。


Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?

A:力致发光可用于制造感压发光体。这种发光体可以与光检测器联合使用,用于制造压力探测传感器、预报监测器以及其他科学仪器中的显示元件等。这项研究成果为相关显示设备的设计与制造提供了一条崭新的思路。这两种分子的结构简单、原料价格亲民,适合工业化的生产,因此适用于产业化制备光学显示元件,对相关领域的发展产生重要的推动作用。


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