“摻”出有機室溫磷光材料 相關成果發表在《德國應用化學》上

因能在黑暗中熠熠發光，夜明珠被視為人間寶物。但傳統的夜明珠都是能發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合研究中心的田禾院士和馬驤教授團隊設計了一種構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。相關成果發表在最新一期國際著名期刊《德國應用化學》上。

解決了激發三重態的穩定問題

發光可分為磷光和熒光。磷光是一種特殊的發光現象。與常見的熒光不同，磷光的壽命更長，可從數毫秒到數小時，而且其發射波長距離激發波長更遠。在當今世界，各種各樣的磷光材料更因其獨特性質在防偽、分子開關、生物成像等領域有著廣泛的應用，也受到了化學、材料科學和生命科學工作者的關注。然而，夜明珠等傳統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：“實現有機分子的RTP，主要需解決激發三重態即一種特殊的電子激發狀態的產生和穩定問題”。研究團隊開發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，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的染料從單重態轉化為三重態。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絡。馬驤說，這樣的剛性網絡會像“籠子”一樣將染料分子牢牢“控制”住，抑制了激發三重態以放熱的方式失活，從而使其發出磷光。

研究團隊成員嚴子昂解釋說，相對于共聚和結晶來說，摻雜策略很顯著的優勢就是，只需要把熒光染料和基質物理混合，不需要經過化學修飾就能把發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，在日常生產中沒有較高的技術要求，是一種相對簡單的物理手段。“現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、聯萘酚、硫酸奎寧在內的多種傳統熒光體經摻雜后都展現出了顯著的磷光效應。由于不同染料的內稟性質不同，各摻雜體系的磷光光譜也顯現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的磷光材料的需求。

據悉，羅丹明B等染料在該聚合物中不僅發出了RTP，還通過反系間竄越過程發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的產生也需要激發三重態的參與，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三重態的光物理和光化學過程。與晶態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，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三重態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、加熱等激發源撤除之后，材料仍可繼續發光，這類材料在防偽領域應用潛力巨大。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，它會發亮，但是這種發光性非常單一，如果在光源撤去之后還能再亮一段時間，發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。這項技術還可用于制造其他易偽造商品的防偽標簽。(王 春)