Исследователи из Колледжа дизайна и инженерии (CDE) при Национальном университете Сингапура (NUS) разработали платформу для супрамолекулярной совместной сборки, которая производит хиральные мягкие материалы с сильной и стабильной полноцветной циркулярно-поляризованной люминесценцией (CPL) во всём видимом спектре, включая красный цвет, который исторически был сложной задачей.
Полученные структуры:
* настраиваемые;
* масштабируемые;
* сохраняют свои хироптические свойства более 100 дней при комнатной температуре;
* выдерживают многократные термические циклы без деградации.
«Сила хироптических свойств материалов — одна из самых высоких из когда-либо зарегистрированных. Эти особенности делают материалы перспективными кандидатами для оптоэлектронных устройств нового поколения, включая трёхмерные дисплеи, квантовые фотонные схемы и технологии защиты от подделки», — сказал профессор Линь Чжицюнь из Департамента химической и биомолекулярной инженерии в CDE, который возглавлял исследование.
Результаты команды, [опубликованные](https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu0296) в журнале Science 14 августа 2025 года, демонстрируют, как молекулярная хиральность может передаваться пошагово: от небольших хиральных молекул до полимерных цепей и далее до крупномасштабных супрамолекулярных структур, которые демонстрируют сильные, стабильные оптические эффекты.
Что такое хиральность?
Хиральность — это свойство, при котором объект не может быть наложен на своё зеркальное отображение. В материаловедении хиральность влияет на то, как свет взаимодействует с веществом. Одним из примеров является CPL — тип излучения света, при котором вектор электрического поля вращается вокруг направления распространения.
CPL ценна для управления спином и поляризацией излучаемых фотонов — важное требование в передовых фотонных, электронных, спинтронических и биомедицинских приложениях. Однако создание материалов, которые надёжно излучают CPL в разных цветах, особенно на более длинных волнах, таких как красный, остаётся сложной задачей.
Исследователи разработали новую стратегию, чтобы решить эту проблему, создав супрамолекулярные структуры — материалы, полученные путём совместной сборки молекул в более крупные упорядоченные формы. Они начали с ахиральных звездообразных блок-сополимеров, известных как PAA-b-PS, которые образуют одномолекулярные мицеллы в растворе. Затем их объединили с простой хиральной молекулой — R- или S-миндальной кислотой, которая связывается с полимерами посредством водородных связей.
После термического отжига смесь полимер-добавка самоорганизовалась в виде наноструктур, похожих на пояса, а затем в хиральные волокнистые структуры шириной в несколько микрометров. Хиральность волокон (левая или правая) зависела от конкретного типа использованной миндальной кислоты. Этот иерархический процесс сборки позволил передать хиральность от небольших молекул к крупным видимым структурам.
Собранные структуры демонстрировали сильные хироптические отклики как в ультрафиолетовом, так и в видимом диапазонах длин волн, что указывает на супрамолекулярную хиральность, а не на молекулярную. Это важно, поскольку многие практические приложения, от технологий отображения до оптических датчиков, работают в видимом спектре. Супрамолекулярная организация позволяет этим материалам функционировать в режимах, недоступных для обычной молекулярной хиральности, расширяя их возможности в реальных фотонных устройствах.
Исследователи также обнаружили, что материалы были почти в два раза жёстче и твёрже, чем материалы без хиральной добавки. Эта дополнительная механическая прочность полезна для интеграции устройств, например, в гибкие или носимые компоненты.
Чтобы продемонстрировать практическую функциональность, команда включила различные ахиральные люминесцентные красители (красный, зелёный, синий) в каркас сособранного полимера. Красители были закреплены посредством водородных связей и приняли хиральность своего окружения во время совместной сборки, что привело к CPL во всех трёх цветах.
Примечательно, что эта возможность полноцветной CPL встречается редко, а излучение красного цвета особенно сложно достичь. В этой системе полимерная матрица обеспечивала перенос хиральности и пассивировала молекулы красителя, что привело к более яркому и долгому свету с более высокими квантовыми выходами по сравнению с теми же красителями, используемыми по отдельности.
«Способность производить сильную CPL во всём видимом спектре расширяет возможности практического применения, особенно в фотонных устройствах, требующих низких оптических потерь и высокой дискриминации сигнала», — добавил профессор Линь.
Помимо способности генерировать CPL, материалы также предлагали удивительную степень контроля над своим оптическим поведением. Регулируя такие факторы, как концентрация полимера и выбор растворителя, исследователи из NUS смогли инвертировать хиральность полученных супрамолекулярных структур, а также направление излучаемого циркулярно-поляризованного света.
При низких концентрациях и в медленно испаряющихся растворителях, таких как диметилформамид, сосборки формировали волокнистые структуры с предсказуемой хиральностью. Напротив, более высокие концентрации и быстро испаряющиеся растворители, такие как толуол, приводили к кинетически захваченным структурам с обратной хиральностью. Эта инверсия хиральности была подтверждена как экспериментальными характеристиками, так и молекулярно-динамическим моделированием.
«Инверсия хиральности демонстрирует, как тонкая настройка внешних факторов, таких как состав и концентрация растворителя, может влиять на супрамолекулярные результаты», — объяснил профессор Линь. «Такой уровень контроля имеет решающее значение для разработки материалов со переключаемыми или программируемыми оптическими свойствами».
Платформа совместной сборки, разработанная командой NUS, представляет собой масштабируемый и универсальный метод синтеза CPL-активных материалов, сочетающих высокую хироптическую активность, долгосрочную стабильность, механическую прочность и возможность настройки цвета. Иерархические структуры сохраняют свои хироптические свойства более 100 дней при комнатной температуре и выдерживают многократные циклы нагрева и охлаждения без деградации.
«Эти особенности важны для разработки оптоэлектронных устройств нового поколения, включая трёхмерные дисплеи, квантовые фотонные схемы и технологии защиты от подделки. Их надёжные механические свойства также поддерживают их пригодность для интеграции в устройства», — сказал профессор Линь.
Исследователи в настоящее время изучают более сложные хиральные совместные сборки, настраивая геометрию нелинейных блок-сополимеров, таких как дендритные и бутылкощеточные архитектуры, и интегрируя новые функциональные возможности, включая проводимость, термо- и светочувствительность, магнитохироптические эффекты и CPL-активное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне. Эти направления могут привести к новым приложениям в хироптоэлектронике, датчиках, информационных технологиях и спинтронике.
Предоставлено:
[Национальный университет Сингапура](https://phys.org/partners/national-university-of-singapore/)
published in Science on 14 August 2025, demonstrate how molecular chirality can be transferred stepwise, from small chiral molecules to polymer chains, and onwards to large-scale supramolecular structures that exhibit strong, stable optical effects.”,”Chirality, like right- and left-handedness, is a property where an object cannot be superimposed on its mirror image. In materials science, chirality influences how light interacts with matter. One example is CPL, a type of light emission where the electric field vector rotates around the direction of propagation.”,”CPL is valuable for controlling the spin and polarization of emitted photons—an essential requirement in advanced photonic, electronic, spintronic and biomedical applications. However, creating materials that reliably emit CPL in different colors, particularly at longer wavelengths such as red, remains a challenge.”,”The researchers developed a new strategy to address this by designing supramolecular structures, which are materials made by the co-assembly of molecules into larger, ordered forms. They started with achiral, star-shaped block copolymers known as PAA-b-PS, which form single-molecule micelles in solution. These were then combined with a simple chiral molecule, R- or S-mandelic acid, which binds to the polymers via hydrogen bonding.”,”Upon thermal annealing, the polymer-additive mixture self-organized into belt-like nanostructures and eventually into chiral fiber-like structures several micrometers wide. The handedness of the fibers (left- or right-handed) depended on the specific type of mandelic acid used. This hierarchical assembly process enabled the transfer of chirality from small molecules to large, visible-scale structures.”,”These assembled structures exhibited strong chiroptical responses across both ultraviolet and visible wavelengths, a feature that points to supramolecular chirality rather than molecular chirality. This is crucial as many practical applications, from display technologies to optical sensors, operate in the visible spectrum. Supramolecular organization allows these materials to function in regimes beyond the reach of conventional molecular chirality, thus expanding their utility in real-world photonic devices.”,”The researchers also found that the materials were nearly twice as stiff and hard as those without the chiral additive. This added mechanical durability is beneficial for device integration, for instance in flexible or wearable components.”,”To demonstrate practical functionality, the team incorporated various achiral luminescent dyes (red, green, blue) into the co-assembled polymer framework. The dyes were anchored via hydrogen bonding and adopted the chirality of their environment during co-assembly, resulting in CPL in all three colors.”,”Notably, this full-color CPL capability is rare, with red emission being especially difficult to achieve. In this system, the polymer matrix enabled chirality transfer and also passivated the dye molecules, leading to brighter, longer-lasting light with higher quantum yields compared to the same dyes used alone.”,”\”The ability to produce strong CPL across the visible spectrum broadens the scope for practical applications, particularly in photonic devices that require low optical losses and high signal discrimination,\” added Prof Lin.”,”Apart from their ability to generate CPL, the materials also offered a surprising degree of control over their optical behavior. Adjusting factors such as polymer concentration and the choice of solvent, the NUS researchers were able to invert the handedness of the resulting supramolecule structures, as well as the direction of emitted circularly polarized light.”,”At low concentrations and in slow-evaporating solvents like dimethylformamide, the co-assemblies formed fiber-like structures with predictable chirality. In contrast, higher concentrations and fast-evaporating solvents like toluene led to kinetically trapped structures with reversed handedness. This chirality inversion was confirmed using both experimental characterization and molecular dynamics simulations.”,”\”The chirality inversion demonstrates how fine-tuning external factors like solvent composition and concentration can affect supramolecular outcomes,\” Prof Lin explained. \”This level of control is crucial for designing materials with switchable or programmable optical properties.\””,”The co-assembly platform developed by the NUS team introduces a scalable and versatile method for synthesizing CPL-active materials that combine high chiroptical activity, long-term stability, mechanical strength and color tunability. The hierarchical structures retain their chiroptical properties for over 100 days at room temperature and withstand repeated heating-cooling cycles without degradation.”,”\”These features are important for enabling the development of next-generation chiral optoelectronic devices, including 3D displays, quantum photonic circuits and anti-counterfeiting technologies. Their robust mechanical properties further support their suitability for device integration,\” said Prof Lin.”,”The researchers are now investigating more complex chiral co-assemblies by tuning the geometry of nonlinear block copolymers, such as dendritic and bottlebrush architectures, and integrating new functionalities, including conductivity, thermo- and light-responsiveness, magneto-chiroptical effects and CPL-active near-infrared emission. These directions could lead to new applications in chiroptoelectronics, sensors, information technology and spintronics.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tNational University of Singapore\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник