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  在眾多刺激響應(yīng)材料中，光敏感材料具有精準(zhǔn)、高效和非接觸控制等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、芯片制造、納米機(jī)器人及控制釋放等領(lǐng)域 （圖1）。然而，由于光敏感分子往往具有良好的平面性，在固體狀態(tài)中會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的分子間堆積作用，進(jìn)一步限制了其異構(gòu)化過程。因此，提升光敏感分子在固體狀態(tài)下的異構(gòu)化性質(zhì)成為了發(fā)展固體光敏感材料的一大挑戰(zhàn)。

  近日，電子科技大學(xué)的王東升課題組受Journal of Materials Chemistry C邀請(qǐng)，發(fā)表題為《Towards real-world applications: promoting fast and efficient photoswitching in the solid state》的前瞻性論文，并收錄于“2022 Emerging Investigators”特刊中。

  該論文通過分析光敏感分子（偶氮苯（Azo）、螺吡喃（SP）、二芳基乙烯（DAE）及給體-受體斯坦豪斯加合物（DASA））的結(jié)構(gòu)及異構(gòu)化機(jī)理 ，討論了各類光敏感分子在固體狀態(tài)下的異構(gòu)化潛力（圖2）。從限制光敏感分子在固體狀態(tài)下的異構(gòu)化機(jī)制出發(fā)，分析并討論了提升光敏感分子在固體狀態(tài)下的異構(gòu)化性質(zhì)的策略。

圖2. 光敏感分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及光穩(wěn)態(tài)時(shí)的吸收光譜

  該論文將提升光敏感分子異構(gòu)化性質(zhì)的策略分為兩個(gè)部分，分別是內(nèi)部改性策略與外部協(xié)同策略 （圖3）。其中，內(nèi)部改性策略主要是通過化學(xué)合成手段，在光敏感分子上引入占位基團(tuán)以消弱光敏感分子間的聚集；外部改性策略則是通過引入第三相，提升光敏感分子在固體狀態(tài)中的分布性質(zhì)。其中，外部改性策略包括了形成表面單分子層、多孔材料負(fù)載、聚合物基材輔助分散與微膠囊方案。論文介紹了近年來促進(jìn)固體狀態(tài)下光敏感分子快速高效異構(gòu)化的策略，并分析討論了各策略的優(yōu)勢(shì)、限制以及亟待克服的挑戰(zhàn) （圖4）。最后，該論文對(duì)光敏感分子在固體材料中的應(yīng)用提出了三點(diǎn)展望：制備具有高機(jī)械強(qiáng)度、低光強(qiáng)響應(yīng)與光敏感固體塊材仍需科研人員的不懈努力。

  （1）由于光敏感分子的異構(gòu)化性質(zhì)與微觀環(huán)境的“靈活度”直接相關(guān)，因此難以制備出兼具高機(jī)械強(qiáng)度和高效快速異構(gòu)化的固體材料。實(shí)現(xiàn)宏觀的“硬度”并同時(shí)具備微觀的“柔軟度”是滿足光敏感材料面向更多應(yīng)用的重要條件。

  （2）對(duì)于大多數(shù)光敏感分子來說，其正向異構(gòu)化和反向異構(gòu)化皆可由光控制，于是，在混合光照下（自然光），由于異構(gòu)化之間的競(jìng)爭(zhēng)，光敏感材料難以產(chǎn)生高效的異構(gòu)化。此外，大多數(shù)光敏感分子的異構(gòu)化是由紫外光誘導(dǎo)觸發(fā)。其因穿透性低、光漂白效應(yīng)和對(duì)人體有害等缺點(diǎn)，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。這仍然是亟待解決的重要問題。

  （3）受刺激光穿透性的限制，隨著固體材料深度的增加，由于吸收和散射，光強(qiáng)隨著穿透深度增加會(huì)迅速減弱，從而難以實(shí)現(xiàn)固體塊材的完全控制。因此，制備具有一定厚度的光敏感塊材仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖4. 不同策略的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)示意圖。

  該報(bào)道介紹并討論了光敏感分子在固體狀態(tài)下應(yīng)用的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為日后固體光敏感材料的制備與研究提供了一定的思路。以上報(bào)道以perspective的形式、以《Towards real-world applications: promoting fast and efficient photoswitching in the solid state》為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C，并收錄于“2022 Emerging Investigators”特刊中。第一作者為電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生孫梵熙，通訊作者為電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院王東升副教授，電子科技大學(xué)為該論文的第一單位。該論文受到四川省國合項(xiàng)目、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金與馬克思普朗克科學(xué)促進(jìn)學(xué)會(huì)中德聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共建項(xiàng)目的共同支持。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/tc/d2tc01345b