西南大学黄进教授和甘霖副教授团队 Small: 基于纤维素纳米晶单轴组装阵列的激发依赖性长余辉材料

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纤维素纳米晶（Cellulose Nanocrystals, CNCs）是一种生物质来源的一维棒状纳米颗粒，具有高比表面积、高长径比、高比强比模、高结晶度、可再生、可生物降解、生物相容等特性，广泛应用于复合增强、食品包装、生物医学、能源、环境等领域。尤其值得注意的是，CNCs可自发形成手性向列相（胆甾相）液晶结构，在溶剂挥发后形成具有鲜明虹彩色的光子薄膜，在信息防伪、传感等领域具有广阔的应用前景。

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课题组针对CNCs手性结构色材料在光学防伪领域存在的信息读取精度不足的科学问题，提出立足于慢光子效应非线性光学增强理论和基元维度效应的纳米颗粒“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一维CNCs的单轴组装以构建去手性光学阵列结构，提升了该类生物基结构色材料在信息加密等领域的应用价值（Part. Part. Syst. Charact., 2019, 1800412）；与柔性高分子共组装发展了具有化学/力学/湿度等响应性的光学传感柔性膜，拓展了此类材料在柔性传感等领域的应用（Cellulose, 2022, 29, 1393–1403; Carbohydr. Polym., 2021, 262, 117949）；利用等离激元叠加机制首先构建了基于CNC单轴组装纳米尺度阵列并与MOF和碳纳米颗粒等物质协同的结构色粉体新材料及可个性化书写涂绘油墨，具有64.84%的高发光量子效率，进一步推进和拓展了该生物基发光材料的实际应用领域（Carbohydr. Polym., 2021, 253, 117260）。

近期，黄进教授和甘霖副教授课题组同样基于CNC单轴取向阵列，利用共组装策略并优化物质转化控制方法，发展了具有激发依赖性的变色长余辉发光材料，将其应用于三重信息防伪取得进展。利用小分子有机硅前体在溶剂挥发过程中的水解、缩合，同时诱导棒状颗粒在组装过程中的单轴取向得到了具有光致发光的CNC/SiO₂共组装薄膜，在将CNC转化为碳量子点（Carbon quantum dots, CDs）过程中控制保持单轴取向阵列结构，同时优化条件保证纤维素纳米晶在介孔结构中原位转化为具有优异光致发光特性的CDs。有限元计算表明，CDs的发射带处于CNC单轴阵列的光子带隙边缘，其慢光子效应使CDs发光强度显著提升约6.7倍。同时，CNC单轴阵列有效地保护了CDs的三重态发射，该材料在254 nm与365 nm的紫外照射后分别显示蓝色与青色长余辉发光，寿命分别达到1.574 s与0.492 s（如图1所示）。该新材料显示出优异光致发光与激发依赖性长余辉发光行为，使其可用于自然光/紫外光/长余辉发光等不同光学环境下的信息防伪，如图2所示在多重信息防伪领域具有应用前景。

Figure 1. Optical photo of the new material-based optical label derived from uniaxial orientation arrays under and after the radiations of different excitation lights.

Figure 2. Anti-counterfeiting application of the new material-based optical label derived from uniaxial orientation arrays of cellulose nanocrystals.

该研究工作以题为“Triply hiding optical information via excitation-dependent allochroic photoluminescence based on cellulose derivates”发表在Small期刊（DOI: 10.1002/smll.202205697），西南大学化学化工学院研究生石珍旭为第一作者，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://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202205697

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