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Chem. Sci.:剛柔并濟-基于鎖環骨架的II區近紅外光熱聚合物
發布時間:2021-04-05

在生物組織中,黑色素、血紅蛋白等色素和水在波長位于1000-1350 nmII區近紅外光吸收較小,且組織對于該波段的光具有較高的耐受功率及較低的散射率,因此,II區近紅外光在生物醫學診療領域具有重要應用價值。光熱轉換是高效利用II區近紅外光的重要手段,在醫療上,以II區近紅外光熱材料為基礎開發的光聲成像、光熱治療等診療手段受到了眾多研究人員的關注。其中,II區近紅外有機光熱材料具有易修飾、可降解等潛在優勢,是II區近紅外光熱的重要研究方向之一。

然而,目前已開發的具有II區近紅外吸收能力的窄帶隙有機光熱材料數量有限,且針對近紅外有機光熱材料相關構效關系的理論研究幾乎處于空白階段,如何設計具有高吸光系數、高光熱轉化效率的窄帶隙分子結構是該領域亟需解決的核心問題之一。實際上,從分子結構設計上來說,高吸光系數、窄帶隙通常要求分子具有平面性及剛性的骨架,因為這樣的分子能夠具有更大的電子離域程度和躍遷偶極矩;而另一方面,高光熱轉化效率卻又要求分子具有較好的柔性,能夠將能量通過分子骨架的振動或扭曲,以熱的形式進行耗散。因此,如何將分子剛性與柔性相統一是制備高效II區近紅外有機光熱材料面臨的重要挑戰。

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1. 理想的II區近紅外光熱材料:在基態時具有較好的平面性和剛性(a),在激發態時具有一定柔性(b);c,本工作的分子結構設計圖示。


近期,中國人民大學王亞培團隊與中山大學岳晚團隊合作,設計了一類基于鎖環骨架的II區近紅外光熱聚合物,該類聚合物的共軛芳環片段間通過雙鍵和氫鍵相連接,在基態時,雙鍵鍵級較高、鍵長較短且受到氫鍵束縛,分子鏈上電子具有較好的離域能力,能夠高效吸收II區近紅外光;而分子吸收光能受到激發后,電子定域在雙鍵附近,雙鍵鍵級降低、鍵長變長,分子可以在較弱的氫鍵約束下進行一定程度的扭曲振動,通過熱的形式高效地耗散能量。通過同類三個不同分子結構在吸收、光熱等性能上的比較,利用密度泛函計算,作者闡明了這類分子在光吸收及熱產生過程中分子結構對性能的影響,為光熱領域分子構效關系的研究提供了思路。該工作所采用的剛柔并濟的結構設計策略對今后II區近紅外有機光熱材料的發展具有重要的借鑒意義。

該文章的第一作者為中國人民大學的青年教師賀泳霖,中山大學博士生廖海良為共同第一作者,中國人民大學王亞培教授和中山大學岳晚教授為通訊作者。該論文目前已在英國皇家化學會旗艦期刊Chemical Science上以Edge Article刊出。

文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d1sc00060h#!divAbstract



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