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香港科技大学唐本忠院士团队和南开大学丁丹教授《ACS Nano》光热转化新概念:分子内键伸缩振动诱导光热转化
2020-07-03  来源:高分子科技

  有效的操纵光热转化在海水淡化、光声成像和光热治疗等方面有着广阔的应用前景。对于有机材料来说,控制分子光激发后激发态能量的热(非辐射)耗散是实现光热转化的关键。目前,通过调控荧光分子和猝灭剂之间的光诱导电子转移、荧光共振能量转移以及其自身的π-π堆积效应是促使光热转化的主要途径。最近,唐本忠院士和丁丹教授等人突破性的通过调控分子的聚集态间隙实现基团转动来获得有效的光热转化。这些方法无疑都具有重要的意义,但需要引入猝灭剂、分子间堆积及分子间空腔等控制因子,从而增加了材料设计的繁琐性。


图1. 分子结构、光物理表征以及形态研究


  基于此,唐本忠院士和丁丹教授利用化学键伸缩振动自发、剧烈、不受外界因素限制等优势,   继而提出了分子内键伸缩振动诱导光热转化的新概念。基于设计的含有吡嗪电子受体单元的电子给受体化合物DCP-TPA和DCP-PTPA,研究表明:尽管这些分子都具有聚集诱导发光(AIE)行为,但它们在聚集态(甚至结晶态)却呈现极低的荧光量子效率。这与AIE分子往往在晶态发光很强(结晶提供分子运动受限有利因素)的结论大相径庭。理论研究表明DCP-TPA中吡嗪单元内的C-N键的伸缩振动对分子激发态能量的耗散起绝对作用。相比而言,DCP-PTPA中由于更多苯环的引入,分子运动能力增强,但分子内键伸缩振动依然主导分子激发态行为 (图1)。由于键的伸缩振动发生剧烈且距离小,利用分子内键伸缩振动能够在不受外界因素限制下以最简便和有效的方式获得光热转化。


图2. 基于分子的纳米材料的光声成像


  进一步研究验证,基于DCP-TPA和DCP-PTPA的纳米材料在660 nm激光激发下能产生高达52%和59%的光热转化效率。同时,得益于高的光热转化效率,这些材料能够将产生的热转化为比半导体聚合物和传统材料甲基蓝更强的光声信号。鉴于光声成像深度深以及空间分辨率高等优势,这些材料能够实现对活鼠体内的肿瘤快速和高信噪比(信噪比高达6.9倍)的光声成像 (图  2)。此外,由于此类材料生物毒性小以及代谢快等优势,给后期的进一步应用研究打下了良好的基础。因此,此工作提供了一种强劲的光热转化机理、新的材料设计理念以及基于此机理的新的应用探索。


  论文第一作者为陈明博士张晓燕博士生,通讯作者为香港科技大学的唐本忠院士和南开大学的丁丹教授。该工作同时得到林荣业教授秦安军教授屠美教授刘峻恺博士生刘丰硕士生张若瑶博士魏培发博士冯海涛博士的支持和帮助。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.9b09625 

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