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南開卜顯和、許健團隊Angew: 具備溫度、壓力雙刺激響應(yīng)的覆蓋整個可見光區(qū)發(fā)光可調(diào)且可逆的配合物體系

來源:化學(xué)加(ID:tryingchem)      2019-03-05
導(dǎo)讀:南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院卜顯和、許健團隊利用三(4-吡啶基苯基)胺(TPPA)、2,6-萘二羧酸配體(NDA)與Cd2+自組裝,構(gòu)筑了可控智能配合物網(wǎng)絡(luò)發(fā)光體系。在溫度和壓力刺激作用下,分子的微結(jié)構(gòu)(構(gòu)型和排列)發(fā)生可逆形變,宏觀上表現(xiàn)為固態(tài)熒光從藍綠色到藍色最終到紅色,覆蓋整個可見光區(qū)域平滑漸變,最大發(fā)射波長及發(fā)射強度與溫度及壓力呈良好的線性關(guān)系,且具有優(yōu)異的可逆性。相關(guān)工作發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上(DOI: org/10.1002/anie.201900190)。

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對溫度、壓力、pH、光、磁等外環(huán)境變化敏感的可調(diào)發(fā)光材料在發(fā)光裝置、光電子器件、數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值,引起了人們的廣泛關(guān)注。截止目前,這類智能發(fā)光材料主要是由有機或金屬有機小分子、聚合物所構(gòu)成,但常常表現(xiàn)出如下的不足:一、在外界環(huán)境誘導(dǎo)下易發(fā)生單一發(fā)光顏色的變化,而非發(fā)光波長平滑的位移,產(chǎn)生多種色變,同時需要第二種外環(huán)境促進作用才能實現(xiàn)可逆效果。二、很少具備構(gòu)象變化、分子排列變化、晶體到非晶體變化等多刺激響應(yīng)性質(zhì),從而宏觀上表現(xiàn)出系列特征發(fā)光性能。第三,難以調(diào)控此類結(jié)構(gòu)動態(tài)變化,且變化結(jié)構(gòu)的單晶數(shù)據(jù)難以獲取。

為此,卜顯和、許健團隊利用三(4-吡啶基苯基)胺(TPPA)與2,6-萘二羧酸配體(NDA)Cd2+自組裝,構(gòu)筑具備溫度、壓力雙刺激下,物質(zhì)結(jié)構(gòu)可逆漸變的智能配合物網(wǎng)絡(luò) [Cd3(TPPA)2(NDA)3]·(DMF)10·(H2O)6 (NKU-121)。其中,TPPA作為熒光基團采用面對面排列的方式位于網(wǎng)絡(luò)中心,其構(gòu)型或排列方式的改變,可以靈敏、精準(zhǔn)地在熒光響應(yīng)信號之中反應(yīng)出。具體表現(xiàn)為:不同于傳統(tǒng)的單一色變,此晶體在加熱過程中,熒光顏色由藍綠色逐漸變?yōu)榫G色,進一步加壓后發(fā)射波長可位移至紅色區(qū)域。這兩種響應(yīng)過程不僅具有良好的可逆性,發(fā)射波長及強度還與外界刺激環(huán)境強弱呈線性關(guān)系。

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1TPPA 合成路線圖(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

NKU121單晶結(jié)構(gòu)顯示,一個Cd2+,一個NDA連同兩個TPPA分子構(gòu)成不對稱單元。每個Cd2+由分別來自三個不同的NDA2-配體上五個O原子和兩個TPPA上的N原子形成五角雙錐構(gòu)型。此外,由Cd2+離子和四個羧基構(gòu)成三個雙Cd2簇,兩個C3對稱的TPPAs以面對面的排列方式聚集,形成三棱柱結(jié)構(gòu)單元。一對上述結(jié)構(gòu)單元通過三個呈螺旋排列的NDA2-組裝成TPPA四聚體。此類結(jié)構(gòu)特征具有重要的柔性特征。

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 圖2:NKU-121 的鉸鏈?zhǔn)筋悥艡谧越M裝結(jié)構(gòu)示意圖及 100 K293 K時的結(jié)構(gòu)對比圖(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

正如所料,NKU121表現(xiàn)出高的熱力學(xué)膨脹各向異性,以維持自身的空間群和拓撲結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度從100 K升高到293 K時,單晶a(b)軸方向增大2.7%,而沿c軸方向顯著地膨脹了5.8%,單個晶胞體積共計增大了13.6%。在熱膨脹時,相鄰的TPPA分子間的距離均勻增加,其中四聚體間距離變化最大。而TPA中的三個苯環(huán)的二面角由69.56°降為 60.84°,吡啶-苯基單元間沿c軸的傾斜角增加,顯然此類結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境誘導(dǎo)下,具備形變性能。文章指出在較寬的溫度范圍內(nèi),NKU121受溫度影響的體積膨脹系數(shù)可通過介電常數(shù)的測量快速而又準(zhǔn)確的測算出。

據(jù)文獻記載,大量呈類螺旋槳構(gòu)型的TPA衍生物具有重要的刺激響應(yīng)性質(zhì)。故卜顯和團隊研究了NKU121固態(tài)熒光與溫度之間的關(guān)系。當(dāng)溫度在77 K120 K范圍內(nèi)時,365 nm光照射下,NKU121晶體發(fā)出藍綠色熒光,與TPPA發(fā)射譜高度重疊。而當(dāng)溫度從120 K升到270 K時,熒光顏色由藍綠色逐漸變?yōu)榫G色,最大發(fā)射波長由480 nm紅移至525 nm,過程中伴隨著熒光強度的不規(guī)則增強。在第一升溫階段,NKU121的骨架開始膨脹,而后一升溫階段,其膨脹效果嚴(yán)格受制于熱膨脹系數(shù)。值得注意的是,上述的熒光響應(yīng)具有實時、可逆的特性,樣品反復(fù)被浸泡/取出于液氮中,熒光迅速可逆變化。而在298 K時,NKU121展現(xiàn)出高達80%的熒光量子產(chǎn)率和納米級別的熒光壽命。

正如結(jié)構(gòu)所展示的,TPPA的三個苯環(huán)即使在較高的溫度下,其扭轉(zhuǎn)角變化也較小,有利于減少非輻射衰變,故熒光發(fā)射增強。因為溫度的作用,使得TPPA分子沿著c軸延展,相鄰的TPPA分子之間距離從3.4 ?增加到3.7?,影響了熒光發(fā)射峰的紅移。即溫度引起的熒光變化主要是TPPA分子間微結(jié)構(gòu)的形變所致。

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3NKU-121 熒光發(fā)射隨溫度變化圖(λex = 365 nm)(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

壓力誘導(dǎo)試驗表明:室溫下壓力從1 atm增加到11.12 Gpa時,固體熒光顏色由綠色(525 nm)到橙色(585 nm)最終位移至紅色(620 nm),伴隨著熒光強度的降低。同樣,發(fā)射最大波長及強度與壓力大小呈正相關(guān)關(guān)系,表明過程中,結(jié)構(gòu)的形變具備連續(xù)及精準(zhǔn)尺度的相關(guān)性。11.12 Gpa以上的高壓下,樣品再無顏色的變化,熒光則幾乎完全淬滅。而當(dāng)壓力降低時,發(fā)光再次恢復(fù)。

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4NKU-121 熒光發(fā)射隨壓力變化圖(λex = 365 nm)(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

理論計算證明,NKU121在壓力增加時,晶格發(fā)生了大幅度的收縮,傾角θ1θ2逐漸增至90°,表明中心N原子從sp3雜化轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>sp2雜化,這扁平化結(jié)構(gòu)恰恰大大增加了N上孤對電子與鄰近苯環(huán)上的電子共軛度,同時降低了位阻,拉近了TPPAs之間的距離。正是分子間距離的降低,增大了π-π堆積作用,發(fā)射紅移及強度降低。

小結(jié):卜顯和、許健團隊構(gòu)筑了受溫度和壓力調(diào)控的可逆發(fā)光智能材料。不同于常規(guī)的熱敏和壓敏材料單一熒光顏色變化,本文所述材料主要是基于溫度和壓力刺激下,四聚物網(wǎng)絡(luò)發(fā)生形變,促使發(fā)光波長范圍涵蓋整個可見區(qū)區(qū)域的可控變化。同時具備良好的可逆性、可控性及線性相關(guān)性,為刺激響應(yīng)發(fā)光材料的研究提供了新的思路。

撰稿人:國熙


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