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上科大叶春洪课题组和郑大张元课题组《Adv. Mater. 》: 基于聚合物微折纸构筑手性等离子体结构
2023-07-30  来源:高分子科技

  手性等离子体纳米材料可选择性地与左旋或右旋圆偏振光相互作用,产生手性光学特性,即圆二色性(Circular dichroism, CD),在三维成像、信息加密、负折射率超材料、手性分子检测与合成等领域具有重要的应用前景。其手性光学性质源自于非对称的立体构型对光波相位、偏振方向和强度的改变,因此CD信号的的三要素,包括振幅、强度和正负,与其立体构型密切相关。


  目前手性结构的构筑主要为两类:一、“自上而下”的方法,如:电子束光刻, 聚焦离子束刻蚀, 掠射角沉积等;二、“自下至上”的方法,通常以DNA、氨基酸、手性纤维等为模板进行胶体自组装,实现对等离子体纳米颗粒的手性排列。两者均可实现纳米尺度的高精度调控,然而前者要求高设备和时间的投入,且结构为静态,缺乏动态可调性;后者通常信号较弱,且天然生物分子对环境的敏感度,限制其适用环境。因此开发一种简单高效的新策略实现具有环境适应性、且信号可调控的手性等离子体结构是迫切需要的。


  上海科技大学叶春洪教授团队、郑州大学张元教授团队和德国莱布尼兹聚合物研究所Andreas Fery教授团队共同合作,首次将基于响应性聚合物的微折纸概念(micro-origami)引入手性等离子体微纳结构设计中,借助折纸结构在刺激条件下自发地由2D薄膜转变为3D结构的形变行为,使在薄膜表面初始态为紧密直线型排列的金纳米颗粒转变为三维空间的螺旋线结构,从而获得手性光学特性。并借助于微折纸结构形貌的灵活可调性和金颗粒线型组装体角度的可控性,实现对手性光学信号强度、正负和频率的有效调节。该方法简单易行,开拓了基于响应性聚合物构筑立体构型和手性信号可控的等离子体手性材料的新策略。相应工作以题为“Tunable Chiral Plasmonic Activities Enabled via Stimuli Responsive Micro-Origami” 的论文发表于Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.202303595)。 


1. 金纳米颗粒在聚合物薄膜表面大范围高度有序的线型组装及其偏振依赖的UV-Vis吸收光谱。


  作者以单一取向的PDMS纳米褶皱作为模板,通过限域自组装的方式实现金纳米球在聚(N-异丙基丙烯酰胺)PNIPAM)薄膜上,大面积区域的直线型排列,呈现高度有序、相互平行的阵列形貌,且在单个组装线中,金颗粒之间紧密接触,产生强烈的等离子体共振效应,获得了在近红外区域的纵向等离子体共振模式(longitudinal plasmonic resonance mode)(图1)。当聚合物薄膜在响应刺激下,自发卷曲形成三维管状结构,带动金球的线型组装体同时发生形变,沿着管壁呈现三维螺旋结构。该螺旋状排列的金纳米颗粒在其等离子体共振吸收波段改变光波传播的相位,产生手性光学信号。并且,由于其纵向耦合效应,使CD光谱扩张到近红外区域(图2),有利于促进手性光学在生物方向的应用。 


2. (a-c) 聚合物微折纸结构的自卷曲行为诱导金纳米球的线型组装转变为3螺旋排列; (d)卷曲前后的CD光谱对比;(e, f) COMSOL理论模拟的CD光谱,以及在左-/-圆偏振光作用下金球螺旋排列结构的电磁场分布图。 


3. 基于金纳米颗线型组装的角度实现对螺旋结构和对应CD信号的调控。


  进一步通过调节金球线型组装体与聚合物薄膜卷曲轴的相对角度,获得信号呈现正负镜像对称的C光谱,以及实现对峰位和强度的调控(图3)。并结合COMSOL理论模拟,系统探索了单、双和三线程金球组装体、不同组装角度和金球数量对CD信号的影响,以及在左-/右旋圆偏振光下电磁场的差异,深入解释手性信号的来源。


  该项工作由共同第一作者上海科技大学博士研究生贺义升北京科技大学硕士研究生李昊宇共同完成。上海科技大学为第一通讯单位,上科大叶春洪教授、郑州大学张元教授和德国莱布尼兹聚合物研究所Andreas Fery教授为共同通讯作者。上述研究得到国家自然科学基金委、上科大双一流经费、国家海外青年人才引进项目、上海市扬帆计划、德国洪堡学者基金会和德国科学基金委的资助。


  原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303595  


叶春洪课题组“双一流”博士后招聘(1位):


  上海科技大学是一所由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,由上海市人民政府主管的全日制普通高等学校,努力建设一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。课题组所在的上海科技大学“材料科学与工程”学科,进入新一轮一流学科建设序列。


招聘要求:

  1. 具有或即将获得高分子、材料、化学等相关专业的博士学位;

  2. 良好的中英文科技论文阅读和写作能力, 具有独立完成工作的能力;

  3. 工作勤奋、踏实,有团队协作精神;


博士后待遇:

  按照上海科技大学相关规定执行,提供具有竞争力的薪酬(25-30W)、津贴和福利,提供博士后公寓。课题组协助申请各种基金和人才项目,如上海市超级博士后计划和博新计划等,支持参加国内外学术交流会议以及海外合作实验室的访问与交流。 


博士后招聘方式:

  有意向的申请人请先将一份详细的个人介绍(包括学习工作经历CV、主要研究内容Research Statement、代表论文论著清单Publication List)发到本人邮箱。邮件主题注明“姓名-应聘博士后”。Email: yechh@shanghaitech.edu.cn

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(责任编辑:xu)
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