中国海洋大学在有机室温磷光材料领域取得新进展
文章导读
当你还在为防伪标签颜色单一、应急标识需要电源而烦恼时，中国海洋大学的最新研究或许正在改写有机发光材料的游戏规则。这项发表在《自然·通讯》的研究打破了传统认知——实现全光谱发光不再需要复杂的分子修饰，仅通过简单的氮原子位置调控，就能让材料在关闭光源后持续发出从蓝到红的"彩虹磷光"。更令人惊讶的是，这些材料不仅能在海水中保持稳定，还能被日光激活发光，其发光波段甚至与某些海洋生物的视觉敏感区间完美契合。这项突破性的技术究竟如何在防伪、海洋工程和生物医学领域开辟全新应用场景？答案可能就藏在那看似简单的分子异构体设计中。
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近日，中国海洋大学材料科学与工程学院孙明亮教授课题组在有机室温磷光材料领域取得新进展，相关工作以“Isomer design unlocks rainbow phosphorescence”（异构体设计解锁彩虹磷光）为题在线发表于综合性国际权威期刊Nature Communications（《自然·通讯》）。该研究通过简单的有机分子异构体设计，实现了全光谱可见光的室温磷光发光颜色调控，为全色有机磷光材料的研发提供了新思路。
图1. 材料化学结构、聚合物掺杂及海洋应用示意图
有机室温磷光材料，是一类在室温下关闭光源后仍能持续发光的材料，因其独特的“余辉”特性，在信息防伪、生物成像、光电子器件和应急标识等领域具有广泛应用价值。然而，这类材料长期面临关键瓶颈：如何在不依赖复杂分子修饰或重金属体系的情况下，实现稳定、可预测的多颜色发光，尤其是可见光全光谱调控。针对这一难题，研究团队提出了一种简洁的设计策略——分子异构体调控。通过选取咔唑（Cz）及其苯并吲哚异构体（Bd[f]、Bd[e]、Bd[g]）构建统一体系，在保持分子骨架固定的前提下，仅通过调节氮原子的位置，系统探索其对发光性能的影响（图1）。同时，团队发展了绿色机械化学球磨方法，实现了关键异构体的高效、无溶剂合成。
图2. 分子合成路线与光物理性质
研究表明，仅通过氮原子位置的变化，该系列材料即可实现从蓝光、绿光、黄光到红光的余辉调控，覆盖整个可见光范围，呈现“彩虹磷光”。其中，咔唑基材料的磷光寿命达到4.23秒，表现出优异的长余辉性能。机理分析发现，氮原子位置调控了分子的能级结构，而咔唑与聚合物基质间的强氢键作用有效抑制了能量损耗，从而延长发光寿命（图2）。此外，该材料体系具有良好的环境稳定性：在多种聚合物基质中均可稳定发光，在高温及海水环境下仍可保持性能，并可通过日光激发而实现余辉。基于上述优势，团队实现了耐高温防伪图案、日光激活应急标识及海洋功能涂层等应用展示。同时，其发光波段与部分海洋生物视觉敏感区间相匹配，为相关研究提供了新工具。该研究提出了极简结构调控的设计原则，为全色有机磷光材料的开发提供了新路径，并在信息安全、海洋工程及生物医学等领域展现出广阔应用前景（图3）。
图3. 用于防伪和海洋应用的磷光材料
中国海洋大学为该研究成果的第一完成单位，孙明亮教授为通讯作者，材料科学与工程学院博士研究生徐心悦为论文第一作者。研究工作获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金、国家重点研发计划及山东省重点研发计划等项目的支持。研究过程中，乌兹别克斯坦科学院离子等离子体与激光技术研究所、青岛科技大学分析测试中心提供了重要技术支撑。
文：心悦 孙明亮
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