西南大学黄进教授和甘霖副教授团队 Cellulose：纤维素纳米晶结构单色材料量子效率提升与柔性传感方向的机理和应用探索

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纤维素纳米晶（CNC）是生物质来源一维棒状纳米颗粒，具有自发组装成为手性向列相液晶的特性，该手性向列相液晶结构能通过溶剂挥发形成具有鲜明彩虹色的光子薄膜，在信息防伪、传感等领域具有广阔的应用前景。为进一步提升信息读取的精密度，西南大学软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室黄进教授和甘霖副教授团队提出了基于慢光子效应非线性光学增强理论和基元维度效应的“组装诱导结构色单色发光”策略，设计组装动力学过程的力场调控实现一维单轴组装以构建去手性阵列结构，提升该类生物基结构色材料在信息加密、多级防伪等领域的应用价值。然而，该CNC去手性阵列结构量子发光效率较低（13.9%）且缺乏能量耗散相而导致脆性过高、加工性欠佳，难以满足商用光致发光材料对于发光强度以及柔性传感应用对于材料延展性的需求。

针对以上问题，西南大学化学化工学院、软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室的黄进教授和甘霖副教授团队提出了刚性纤维素纳米晶单轴取向阵列与柔性高分子共组装的策略，设计了CNC与柔性长链聚合物的二元共组装体系，将CNC与水溶性高分子—聚乙烯醇（PVA）进行共组装研究，发展了具有高量子发光效率和柔性传感特性的光子柔性传感膜。该工作沿用溶剂蒸发诱导的基底与前体溶液液面垂直的单轴定向组装方法，针对共组装前体溶液体系进行了过程动力学控制的优化，研究了CNC/PVA体系的组成对共组装膜力学性能与光致发光性质的影响规律，揭示了CNC/PVA共组装膜的量子效率提升和力学响应特性的变化规律与调控机制。相关工作以题为“Quantum-efficiency enhancement and mechanical responsiveness of solid-state photoluminescent flexible materials containing uniaxial cellulose nanocrystal arrays”发表于Cellulose期刊（DOI :10.1007/s10570-022-04424-w）。

图1. 不同含量的CNC/PVA共组装膜材料在365 nm紫外辐照灯下拉伸前（a和c）及对应拉伸发生应变后（b和d）观测的光致发光照片

研究表明，通过调整CNC与PVA的体积比可控制CNC组装的溶剂挥发动力学过程等关键因素并优化共组装膜中CNC单轴取向阵列的去手性程度，显著提高CNC阵列的发光量子效率（EQE）最高可达能满足商用光致发光量子产率的60.60%。同时，该二元共组装策略将PVA的柔性优势与CNC的单轴组装阵列结构有效结合，赋予CNC的单轴取向阵列结构柔韧可拉伸特性，调控两者的配比能使共组装膜的拉伸断裂伸长率达到90%以上。尤其值得关注的是，CNC/PVA共组装膜在柔性提升的同时还表现出力学响应特性，拉伸PVA/CNC共组装膜进一步引起EQE增强最高可达63.5%（如图1所示），且在发射波长没有明显变化的情况下，共组装膜的激发波长随拉伸伸长率的增加而发生蓝移。针对该拉伸刺激响应的机制进行了探究，结果表明EQE的增强和发射波长的蓝移得益于CNC排列的有序度在拉伸过程中的进一步提升和拉伸过程导致的材料整体有效折射率的降低。这种发光光强和激发波长的应变响应行为提供了智能应用的潜力，优良的力学性能促进了其在信息安全材料、光学传感器和可穿戴设备等的方向的应用。

西南大学化学化工学院研究生刘思源和石珍旭为共同第一作者，西南大学化学化工学院、软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室黄进教授和甘霖副教授为通讯作者。该成果获得国家自然科学基金（51603171、51973175）、重庆市高校创新研究群体（CXQT19008）、重庆英才计划（CQYC201903243、CSTC2021YCJH-BGZXM0307）等多个项目的资助。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-022-04424-w

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