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Chem. Sci.:刚柔并济-基于锁环骨架的II区近红外光热聚合物
发布时间:2021-04-05

在生物组织中,黑色素、血红蛋白等色素和水在波长位于1000-1350 nmII区近红外光吸收较小,且组织对于该波段的光具有较高的耐受功率及较低的散射率,因此,II区近红外光在生物医学诊疗领域具有重要应用价值。光热转换是高效利用II区近红外光的重要手段,在医疗上,以II区近红外光热材料为基础开发的光声成像、光热治疗等诊疗手段受到了众多研究人员的关注。其中,II区近红外有机光热材料具有易修饰、可降解等潜在优势,是II区近红外光热的重要研究方向之一。

然而,目前已开发的具有II区近红外吸收能力的窄带隙有机光热材料数量有限,且针对近红外有机光热材料相关构效关系的理论研究几乎处于空白阶段,如何设计具有高吸光系数、高光热转化效率的窄带隙分子结构是该领域亟需解决的核心问题之一。实际上,从分子结构设计上来说,高吸光系数、窄带隙通常要求分子具有平面性及刚性的骨架,因为这样的分子能够具有更大的电子离域程度和跃迁偶极矩;而另一方面,高光热转化效率却又要求分子具有较好的柔性,能够将能量通过分子骨架的振动或扭曲,以热的形式进行耗散。因此,如何将分子刚性与柔性相统一是制备高效II区近红外有机光热材料面临的重要挑战。

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1. 理想的II区近红外光热材料:在基态时具有较好的平面性和刚性(a),在激发态时具有一定柔性(b);c,本工作的分子结构设计图示。


近期,中国人民大学王亚培团队与中山大学岳晚团队合作,设计了一类基于锁环骨架的II区近红外光热聚合物,该类聚合物的共轭芳环片段间通过双键和氢键相连接,在基态时,双键键级较高、键长较短且受到氢键束缚,分子链上电子具有较好的离域能力,能够高效吸收II区近红外光;而分子吸收光能受到激发后,电子定域在双键附近,双键键级降低、键长变长,分子可以在较弱的氢键约束下进行一定程度的扭曲振动,通过热的形式高效地耗散能量。通过同类三个不同分子结构在吸收、光热等性能上的比较,利用密度泛函计算,作者阐明了这类分子在光吸收及热产生过程中分子结构对性能的影响,为光热领域分子构效关系的研究提供了思路。该工作所采用的刚柔并济的结构设计策略对今后II区近红外有机光热材料的发展具有重要的借鉴意义。

该文章的第一作者为中国人民大学的青年教师贺泳霖,中山大学博士生廖海良为共同第一作者,中国人民大学王亚培教授和中山大学岳晚教授为通讯作者。该论文目前已在英国皇家化学会旗舰期刊Chemical Science上以Edge Article刊出。

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



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