CCS Chemistry：双圆偏振，光反射与荧光发射同时兼得！自组装与动力学捕获协同构筑CNC光子晶体膜

摘要： 吉林大学徐雁教授与英国布里斯托大学Stephen Mann教授合作首次成功实现了双圆偏振光反射和双圆偏振荧光发射的晶态纳米纤维素CNC基光子晶体膜的自发构筑，并展示了该CNC膜在高级光学防伪图标方面的应用潜力。

光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap，PBG）特性的人造周期性电介质结构，由不同折射率的介质周期性排列而成，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。光子晶体的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。其中具有周期分层结构和一维PBG的手性向列相光子晶体在光子技术中有很大的应用潜力。

周期晶态纳米纤维素（CNC）提取于天然纤维素（如木本、非木本纤维素等），是一种可再生天然高分子纳米材料。CNC具有溶致型液晶性质，可通过蒸发诱导自组装形成左旋手性向列结构。科学家已开发出多种基于CNC的手性光子纳米材料，并应用于传感、非对称合成、生物医学和仿生纳米复合材料等领域。手性向列型CNC薄膜具有圆偏振特性，包括反射左旋圆偏振（LCP）光，发射右旋圆偏振（RCP）荧光等。

吉林大学徐雁教授课题组在揭示了CNC左旋手性向列结构单反射左旋圆偏振光/单发射右旋圆偏振荧光的本征能力后（Adv. Mater. 2018, 30(13), 1705948），近日，基于CNC自组装与动力学捕获协同策略，在左旋手性向列结构中原位嵌入具有半波延迟能力的向列相，实现圆偏振光的手性反转。这种嵌入半波延迟层的CNC膜具有反射双圆偏振光和发射双圆偏振荧光的能力（图1）。

图1

通过改变CNC初始浓度及组装温度可有效调控半波延迟能力，获得左右圆偏振图案不同及总反射率高达68 %的CNC膜（图2）； 通过对CNC悬浮液进行相分离处理，获得正反面圆偏振光学性质相反的CNC膜。

图 2

基于该CNC膜丰富的圆偏振光学性质，作者进一步展示了它在光学防伪图标方面的应用潜力。如手机屏幕的关闭和亮屏状态下表现出13种不同的光学图案； 与二维码贴合，赋予其丰富的光学图案信息，实现高级光学防伪（图3）。

 图 3

综上所述，自组装与动力学捕获协同策略使得双圆偏振光反射/双圆偏振荧光发射CNC膜的自发构筑成为可能。左右圆偏振光/荧光比例可调，拓展了CNC膜的圆偏振能力以及在高级光学防伪领域的巨大应用潜力。该工作为开发高效易量产圆偏振光材料提供了一条切实可行的路线及可持续材料选择。该工作的第一作者为博士研究生陶佳伟，通讯作者为 Stephen Mann 教授和徐雁教授，以research article的形式发表在CCS Chemistry，并在官网“Just Published”栏目上线。

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文章详情：

Optically Ambidextrous Reflection and Luminescence in Self-Organized Left-Handed Chiral Nematic Cellulose Nanocrystal Films

Jiawei Tao, Chen Zou, Haijing Jiang, Mei Li, Di Lu, Stephen Mann* & Yan Xu*

Citation：CCS Chem. 2020, 2, 932–945

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000248

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