DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58355-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40133332
تاريخ النشر: 2025-03-26
المؤلف: Mingjun Ji وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب وخصائص المركبات العطرية
نظرة عامة
يتناول هذا القسم التحديات والتقدم في تحقيق اللمعان الدائري المستقطب (CPL) في المحلول، وخاصة بالنسبة للجزيئات العضوية غير الكيرالية. يقدم المؤلفون استراتيجية جديدة تستخدم البلورات السائلة النيماتية الكيرالية (N*-LCs) الموضوعة خلف محاليل المركبات العضوية غير الكيرالية. تستغل هذه التهيئة آلية الانعكاس الانتقائي – النقل، مما يمكّن من توليد CPL بالألوان الكاملة والأبيض مع عوامل عدم التماثل (|g_lum|) تصل إلى 2.0. الطريقة متعددة الاستخدامات، قابلة للتطبيق على كل من المحاليل المائية والعضوية، وتعزز بنجاح CPL لعدة جزيئات.
علاوة على ذلك، يبرز الدراسة الإمكانية لتبديل CPL وتطبيقات بوابة المنطق، مستفيدة من الخصائص الفريدة لـ N*-LCs والاستجابة القابلة للعكس للأحماض والقواعد للمحاليل. تؤكد النتائج على أهمية هذه الطريقة في التغلب على قيود الاستراتيجيات الكيرالية التقليدية، التي غالبًا ما تتضمن تخليقًا معقدًا وتحقق قيم |g_lum| منخفضة في المحلول. من خلال توفير طريقة قوية وقابلة للتعميم لتحقيق |g_lum| عالية في الجزيئات العضوية اللمعانية غير الكيرالية، تفتح هذه الأبحاث آفاقًا للتطبيقات العملية في مجالات متنوعة، بما في ذلك الإلكترونيات الضوئية والتقنيات الطبية الحيوية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في تحضير البلورات السائلة النيماتية (N*-LCs). تم الحصول على معظم المواد الكيميائية، بما في ذلك SLC1717 والمادة المضافة الكيرالية R/S-5011، من موردين تجاريين دون تنقية إضافية. تم الحصول على مواد كيميائية محددة مثل 4-MUP وMQAE وSPQ وغيرها من مزودين مختلفين، مما يضمن مستويات نقاء عالية (تتراوح من 95% إلى 99%).
شمل تحضير N*-LC R1 خلط SLC1717 (370 ميكرولتر)، R-5011 (10.69 ملغ)، وثنائي كلورو الميثان (5 مل) في زجاجة عينة سعة 20 مل، تلاها معالجة بالموجات فوق الصوتية وتسخين عند 80 درجة مئوية لتحقيق تركيز إضافي قدره 28.89 جرام لكل لتر. تم تطبيق نفس الإجراء لتحضير N*-LCs إضافية (R2-R9، S1-S9)، مع كميات وتركيزات محددة مفصلة في الجداول التكميلية S1 وS2. تم احتواء N*-LCs النهائية بين ألواح الكوارتز التي تقيس 1.5 × 1.5 سم للاختبار اللاحق.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تخليق سلسلة من مواد البلورات السائلة الكيرالية (N*-LCs) عن طريق إضافة نسب متغيرة من المواد المضافة الكيرالية (R/S-5011) إلى مضيف البلورات السائلة (SLC1717). تم توصيف N*-LCs المحضرة (المعينة R1-R9 وS1-S9) باستخدام المجهر الضوئي المستقطب (POM)، وطيف الامتصاص UV-vis، وطيف الانكسار الدائري (CD)، وطيف الضوء المستقطب دائريًا (CPL). أكدت تحليلات POM على التكوين الناجح للطور الكوليسترولي وتوافق المواد المضافة مع مادة المضيف، كاشفة عن أنماط زيتية مميزة تشير إلى توجيه المحور الحلزوني. أظهرت أطياف UV-vis وCD قممًا مميزة تتوافق مع المواد المضافة وN*-LCs، مع نقل ملحوظ للكيرالية يتضح من الإشارات السلبية والإيجابية لـ CD لـ N*-LCs من النوع R والنوع S، على التوالي.
أظهرت قياسات CPL أن N*-LCs تحول الضوء غير المستقطب بفعالية إلى ضوء مستقطب دائريًا، محققة عوامل عدم تماثل عالية (g_lum) يمكن أن تصل إلى الحد الأقصى النظري ±2. أظهرت النتائج وجود ارتباط قوي بين طول موجة الضوء الساقط وخصائص CPL، مع تحقيق الأداء الأمثل عندما تتماشى طول موجة الضوء مع قمم الانعكاس/النقل لـ N*-LCs. على سبيل المثال، أنتج R7 ضوءًا مستقطبًا دائريًا لليسار مع g_lum قدره 2 عند حوالي 560 نانومتر، بينما أنتج S7 ضوءًا مستقطبًا دائريًا لليمين مع g_lum قدره -2 عند حوالي 520 نانومتر. مع انحراف طول الموجة عن هذه القمم، انخفض كل من شدة إشارة CPL وقيم g_lum، مما يبرز إمكانيات هذه N*-LCs للتطبيقات في الأجهزة الضوئية.
نقاش
تقدم الأبحاث استراتيجية جديدة لتحقيق اللمعان الدائري المستقطب (CPL) من الجزيئات العضوية غير الكيرالية في المحلول من خلال استخدام مواد البلورات السائلة النيماتية (N*-LC). تتضمن الطريقة وضع N*-LCs خلف محلول لمعي غير كيرالي لتحويل الضوء غير المستقطب المنبعث من المحلول إلى CPL من خلال الانعكاس الانتقائي والنقل. أظهرت هذه الطريقة عوامل عدم تماثل لمعانية عالية (|g_lum|) تتجاوز 1.5، مع بعض الحالات التي تصل إلى الحد الأقصى النظري 2.0. الاستراتيجية متعددة الاستخدامات، قابلة للتطبيق على كل من المذيبات المائية والعضوية، وتستوعب أنواعًا مختلفة من الجزيئات اللمعانية، بما في ذلك المركبات الفلورية، والفوسفورية، والمركبات اللمعانية المتأخرة المنشطة حراريًا (TADF).
بالإضافة إلى ذلك، تستكشف الدراسة الإمكانية لإنشاء CPL ضوء أبيض من خلال دمج مصادر الضوء المكملة في كل من الأنظمة المائية والعضوية، محققة قيم |g_lum| تشير إلى توليد CPL ناجح. أظهر دمج الجزيئات اللمعانية في N*-LCs تأثيرًا على أداء CPL، مما يشير إلى أن التحكم الدقيق في البيئة الجزيئية أمر حاسم لتحسين خصائص اللمعان. علاوة على ذلك، تبرز الأبحاث تطوير بوابة منطق جزيئية تستخدم المركبات اللمعانية المستجيبة للأحماض والقواعد، مما يظهر التطبيقات العملية لاستراتيجية CPL هذه في الأجهزة الضوئية. بشكل عام، تؤكد النتائج على قوة وبساطة الطريقة المقترحة، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في تقنيات CPL.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58355-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40133332
Publication Date: 2025-03-26
Author(s): Mingjun Ji et al.
Primary Topic: Synthesis and Properties of Aromatic Compounds
Overview
This section discusses the challenges and advancements in achieving circularly polarized luminescence (CPL) in solution, particularly for achiral organic molecules. The authors present a novel strategy that utilizes chiral nematic liquid crystals (N*-LCs) positioned behind solutions of achiral organic compounds. This configuration exploits a selective reflection-transmission mechanism, enabling the generation of full-color and white CPL with dissymmetry factors (|g_lum|) reaching up to 2.0. The method is versatile, applicable to both aqueous and organic solutions, and successfully enhances the CPL of multiple molecules.
Furthermore, the study highlights the potential for CPL switching and logic gate applications, leveraging the unique properties of N*-LCs and the reversible acid-base responsiveness of the solutions. The findings underscore the significance of this approach in overcoming the limitations of traditional chiral strategies, which often involve complex synthesis and yield low |g_lum| values in solution. By providing a robust and generalizable method for achieving high |g_lum| in achiral organic luminescent molecules, this research opens avenues for practical applications in various fields, including optoelectronics and biomedical technologies.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for the preparation of nematic liquid crystals (N*-LCs). Most reagents, including SLC1717 and the chiral dopant R/S-5011, were sourced from commercial suppliers without additional purification. Specific chemicals such as 4-MUP, MQAE, SPQ, and others were obtained from various providers, ensuring high purity levels (ranging from 95% to 99%).
The preparation of the N*-LC R1 involved mixing SLC1717 (370 μL), R-5011 (10.69 mg), and dichloromethane (5 mL) in a 20 mL sample bottle, followed by ultrasonic treatment and heating at 80 °C to achieve a doping concentration of 28.89 g L⁻¹. The same procedure was applied to prepare additional N*-LCs (R2-R9, S1-S9), with specific amounts and concentrations detailed in Supplementary Tables S1 and S2. The final N*-LCs were encapsulated between quartz plates measuring 1.5 × 1.5 cm for subsequent testing.
Results
In this study, a series of chiral liquid crystal materials (N*-LCs) were synthesized by doping varying ratios of chiral dopants (R/S-5011) into a liquid crystal host (SLC1717). The prepared N*-LCs (designated R1-R9 and S1-S9) were characterized using polarized optical microscopy (POM), UV-vis absorption spectroscopy, circular dichroism (CD) spectroscopy, and circularly polarized light (CPL) spectroscopy. POM analysis confirmed the successful formation of the cholesteric phase and the compatibility of the dopants with the host material, revealing characteristic oily streak textures indicative of helical axis orientation. The UV-vis and CD spectra exhibited distinct peaks corresponding to the dopants and the N*-LCs, with notable chirality transfer evidenced by the observed negative and positive CD signals for R-type and S-type N*-LCs, respectively.
The CPL measurements demonstrated that the N*-LCs effectively convert unpolarized light into circularly polarized light, achieving high dissymmetry factors (g_lum) that can reach the theoretical maximum of ±2. The results indicated a strong correlation between the wavelength of the incident light and the CPL properties, with optimal performance occurring when the light wavelength aligns with the reflection/transmission peaks of the N*-LCs. For instance, R7 generated left-handed circularly polarized light with a g_lum of 2 at approximately 560 nm, while S7 produced right-handed circularly polarized light with a g_lum of -2 at around 520 nm. As the wavelength deviated from these peaks, both the CPL signal intensity and g_lum values decreased, underscoring the potential of these N*-LCs for applications in photonic devices.
Discussion
The research presents a novel strategy for achieving circularly polarized luminescence (CPL) from achiral organic molecules in solution by utilizing nematic liquid crystal (N*-LC) materials. The method involves placing N*-LCs behind an achiral luminescent solution to convert unpolarized light emitted by the solution into CPL through selective reflection and transmission. This approach demonstrated high luminescence dissymmetry factors (|g_lum|) exceeding 1.5, with some instances reaching the theoretical maximum of 2.0. The strategy is versatile, applicable to both aqueous and organic solvents, and accommodates various types of luminescent molecules, including fluorescent, phosphorescent, and thermally activated delayed fluorescence (TADF) compounds.
Additionally, the study explores the potential for creating white-light CPL by combining complementary-color emitters in both aqueous and organic systems, achieving |g_lum| values indicative of successful CPL generation. The incorporation of luminescent molecules into N*-LCs was shown to affect the CPL performance, suggesting that careful control of the molecular environment is crucial for optimizing luminescence properties. Furthermore, the research highlights the development of a molecular logic gate utilizing acid-base responsive luminescent compounds, demonstrating the practical applications of this CPL strategy in optical devices. Overall, the findings underscore the robustness and simplicity of the proposed method, paving the way for future advancements in CPL technologies.