软物质中螺旋结构的光致动态重构：实现超宽带域调控与圆偏振发光新突破

《National Science Review》：Robust helix photo-transforming in soft matter

本刊推荐：为解决软物质中螺旋结构光控难题，研究人员开发了多支化树枝状手性光开关，实现了从可见到近红外的超宽带反射光谱调控（400-3000 nm），创造了目前最高的螺旋扭曲力（HTP=317.67 μm-1）和圆偏振发光不对称因子（glum=1.97），并构建了全光子三元时空编码系统，为动态软物质材料和光信息处理提供了新范式。

　　

在自然界中，螺旋结构广泛存在于从DNA到液晶显示器的各类软物质系统中。实现螺旋结构的光控动态重构一直是软凝聚态物理、化学和光子学领域的重大挑战。传统手性光开关材料存在热稳定性差、调控范围有限等问题，难以实现可见光到红外波段的精确调控。

针对这一难题，华东理工大学朱为宏、郑致刚团队与诺贝尔奖得主Ben L. Feringa合作，在《National Science Review》发表研究，通过设计多支化树枝状手性光开关，实现了软物质螺旋结构的精准光控。研究人员创新性地提出了光操控鲁棒性因子（R_p）评价体系，开发出具有优异热稳定性和疲劳抗性的手性光开关分子P-1o。该分子在液晶中展现出创纪录的螺旋扭曲力（317.67 μm^-1），经紫外光照后HTP值可调控247.99 μm^-1，实现了400-3000 nm的超宽带反射光谱动态调控。

研究采用的主要技术方法包括：多支化树枝状手性光开关的分子设计与合成、液晶自组装体系的构建、光致螺旋结构转变的表征（偏振光学显微镜、反射光谱分析）、圆偏振发光测试系统、红外光束编程装置（Q板、达曼涡旋光栅）以及三元时空编码平台的搭建。

手性光开关实现稳健螺旋光转化

通过引入六条十二烷基链的多支化结构，P-1o在液晶中表现出优异的相容性和分子间相互作用。其HTP值从光照前的317.67 μm^-1降至69.68 μm^-1，创造了目前最大的HTP波动范围。液晶薄膜在60秒内即可完成从深蓝、绿、红到近红外区的颜色转变，且中间态可稳定保持12小时以上。

光刺激CPL实现接近理论值的不对称因子1.97

利用螺旋结构与手性光开关固有发光的共振耦合，研究实现了光刺激圆偏振发光。当光子带隙与聚集诱导发光光谱完全重叠时，体系产生强正CPL信号，g_lum值高达1.97，接近理论极限2.0。通过光照移动反射带与发光峰的重叠程度，可动态调控CPL的手性和强度。

多维光编程红外光束

基于螺旋结构的光控反转，研究实现了红外光束的多维编程。通过设计具有几何相位分布的Q板，在1310和1550 nm波长下产生了拓扑荷m=±2的涡旋光束，实现了标量光束与矢量光束的动态切换。利用达曼涡旋光栅进一步实现了红外涡旋阵列光束的光可逆操控。

建立全光子三元时空编码

结合波长（980/1310/1550 nm）、光学场分布和偏振态三个维度，研究构建了空间编码方案。通过引入AIE荧光的时间演化区分大小写字母，建立了包含52个字符的三元时空编码系统，成功演示了"Ecust-Photo"等字符的动态输出。

该研究通过分子结构创新实现了软物质螺旋结构的精准光控，突破了传统材料在调控范围、稳定性和不对称因子等方面的限制。所开发的材料体系为动态软物质研究提供了新平台，在光通信、生物模拟软机器和未来智能材料等领域具有重要应用前景。这种将分子设计、材料组装和光子编程相结合的研究范式，为多学科交叉创新提供了新思路。