Новая стратегия сборки позволяет создавать материалы с круговой поляризацией света во всем цветовом спектре

Универсальная стратегия создания полноцветных высокоэффективных материалов с круговой поляризацией света через иерархические хиральные супрамолекулярные сборки. Автор: Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu0296

Исследователи из Колледжа дизайна и инженерии (CDE) Национального университета Сингапура (NUS) разработали платформу супрамолекулярной ко-сборки, которая создает хиральные мягкие материалы с сильной и стабильной круговой поляризацией люминесценции (CPL) во всем видимом спектре, включая красный цвет, который исторически был сложной целью.

Полученные структуры настраиваемы, масштабируемы и сохраняют свои хираоптические свойства более 100 дней при комнатной температуре, выдерживая многократные тепловые циклы без деградации.

«Хираоптическая сила этих материалов — одна из самых высоких из когда-либо зарегистрированных. Эти особенности делают материалы сильными кандидатами для устройств следующего поколения, включая 3D-дисплеи, квантовые фотонные схемы и технологии защиты от подделок», — сказал профессор Линь Чжицюнь с кафедры химической и биомолекулярной инженерии CDE, руководивший исследованием.

Результаты работы команды, опубликованные в журнале Science 14 августа 2025 года, демонстрируют, как молекулярная хиральность может передаваться поэтапно — от небольших хиральных молекул к полимерным цепям и далее к крупномасштабным супрамолекулярным структурам, проявляющим сильные и стабильные оптические эффекты.

Самоорганизующиеся строительные блоки

Хиральность, как право- и леворукость, — это свойство, при котором объект нельзя совместить со своим зеркальным отображением. В материаловедении хиральность влияет на взаимодействие света с веществом. Одним из примеров является CPL — тип светового излучения, при котором вектор электрического поля вращается вокруг направления распространения.

CPL важен для управления спином и поляризацией испускаемых фотонов — ключевое требование для передовых фотонных, электронных, спинтронных и биомедицинских приложений. Однако создание материалов, надежно излучающих CPL в разных цветах, особенно на длинных волнах, таких как красный, остается сложной задачей.

Исследователи разработали новую стратегию, проектируя супрамолекулярные структуры — материалы, созданные путем ко-сборки молекул в более крупные упорядоченные формы. Они начали с ахиральных звездообразных блок-сополимеров PAA-b-PS, которые образуют однмолекулярные мицеллы в растворе. Затем их комбинировали с простой хиральной молекулой — R- или S-манделиновой кислотой, которая связывается с полимерами через водородные связи.

При термическом отжиге смесь полимер-добавка самоорганизовывалась в нанопоясные структуры, а затем в хиральные волокноподобные структуры шириной в несколько микрометров. Направленность волокон (лево- или правозакрученные) зависела от типа используемой манделиновой кислоты. Этот иерархический процесс сборки позволил передать хиральность от малых молекул к крупным, видимым структурам.

Эти структуры демонстрировали сильные хираоптические отклики в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, что указывает на супрамолекулярную хиральность, а не молекулярную. Это важно, так как многие практические приложения, от дисплейных технологий до оптических датчиков, работают в видимом спектре. Супрамолекулярная организация позволяет этим материалам функционировать в режимах, недоступных для обычной молекулярной хиральности, расширяя их применение в реальных фотонных устройствах.

Исследователи также обнаружили, что материалы почти вдвое жестче и тверже, чем без хиральной добавки. Эта дополнительная механическая прочность полезна для интеграции в устройства, например, в гибкие или носимые компоненты.

Чтобы продемонстрировать практическую функциональность, команда включила различные ахиральные люминесцентные красители (красный, зеленый, синий) в ко-собранную полимерную матрицу. Красители закреплялись через водородные связи и перенимали хиральность окружения во время ко-сборки, что привело к CPL во всех трех цветах.

Особенно важно, что полноцветная CPL-способность встречается редко, причем красное излучение особенно трудно достичь. В этой системе полимерная матрица не только обеспечила передачу хиральности, но и пассивировала молекулы красителя, что привело к более яркому, долговечному излучению с более высокими квантовыми выходами по сравнению с теми же красителями, используемыми отдельно.

«Возможность создавать сильную CPL во всем видимом спектре расширяет область практического применения, особенно в фотонных устройствах, требующих низких оптических потерь и высокой дискриминации сигналов», — добавил профессор Линь.

Когда больше — значит меньше

Помимо генерации CPL, материалы также обеспечили неожиданно высокий уровень контроля над их оптическим поведением. Настраивая такие факторы, как концентрация полимера и выбор растворителя, исследователи NUS смогли инвертировать направленность получаемых супрамолекулярных структур, а также направление испускаемого циркулярно-поляризованного света.

При низких концентрациях и в медленно испаряющихся растворителях, таких как диметилформамид, ко-сборки формировали волокноподобные структуры с предсказуемой хиральностью. В то время как более высокие концентрации и быстроиспаряющиеся растворители, такие как толуол, приводили к кинетически запертым структурам с обратной направленностью. Эта инверсия хиральности была подтверждена как экспериментально, так и с помощью молекулярно-динамического моделирования.

«Инверсия хиральности демонстрирует, как тонкая настройка внешних факторов, таких как состав растворителя и концентрация, может влиять на супрамолекулярные результаты. Такой уровень контроля важен для проектирования материалов с переключаемыми или программируемыми оптическими свойствами», — пояснил профессор Линь.

Платформа ко-сборки, разработанная командой NUS, представляет собой масштабируемый и универсальный метод синтеза CPL-активных материалов, сочетающих высокую хираоптическую активность, долгосрочную стабильность, механическую прочность и настраиваемость цвета. Иерархические структуры сохраняют свои хираоптические свойства более 100 дней при комнатной температуре и выдерживают многократные циклы нагрева-охлаждения без деградации.

«Эти особенности важны для разработки устройств следующего поколения, включая 3D-дисплеи, квантовые фотонные схемы и технологии защиты от подделок. Их надежные механические свойства также поддерживают их пригодность для интеграции в устройства», — сказал профессор Линь.

Сейчас исследователи изучают более сложные хиральные ко-сборки, настраивая геометрию нелинейных блок-сополимеров, таких как дендритные и «бутылочно-щеточные» архитектуры, и интегрируя новые функции, включая проводимость, термо- и светочувствительность, магнито-хираоптические эффекты и CPL-активное ближнее инфракрасное излучение. Эти направления могут привести к новым применениям в хираоптоэлектронике, датчиках, информационных технологиях и спинтронике.

Дополнительная информация: Minju Kim et al, Hierarchical chiral supramolecular assemblies with strong and invertible chiroptical properties, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu0296

Источник: National University of Singapore