近期，我校材料学院彭锋教授团队率先发现了经浓碱提取的高结晶性聚木糖类半纤维素的室温磷光现象，相关成果在Cell Press出版集团旗下综合期刊《Cell Reports Physical Science》在线发表，引起了领域内的高度关注。日前，《Nature》杂志将该成果遴选为Research Highlights（研究亮点），以“Paper-mill waste that glows in the dark”为题进行了报道,并从制浆造纸副产物再利用的角度充分肯定了该研究工作的价值与意义。Nature研究亮点文章每年遴选300-400项工作，主要描述发表在本刊或其他期刊的科学和技术全领域研究进展，关注主要研究结果，强调其显著的意义，并对该研究主题提供进一步的讨论。
Nature Research Highlights报道
“悬明珠与四垂，昼视之如星，夜望之如月”，据史籍记载，早在炎帝时期，人类就发现了天然的无机磷光材料，也就是人们常说的“夜明珠”，夜明珠长余辉发光即室温磷光。与无机磷光材料相比，纯有机磷光材料合成条件温和、成本低廉且生物相容性良好，近年来备受关注，在防伪、传感、光电器件和生物成像等领域具有广阔的应用前景。
然而，开发纯有机室温磷光材料需要繁琐的化学合成及纯化，难以大规模制备，且其加工性能及余辉颜色调谐性能差。针对上述问题，材料学院彭锋教授团队开展了基于天然多糖的有机室温磷光材料研究工作，并率先发现了半纤维素的长寿命、余辉颜色可调谐室温磷光现象。
独辟蹊径：掀开半纤维素“夜明珠”神秘面纱
半纤维素作为一类天然多糖，主要包括聚木糖、聚葡萄糖甘露糖、聚β-1,3-1,4-葡萄糖和聚木糖葡萄糖等。据论文通讯作者彭锋教授介绍，经稀碱溶液提取的半纤维素通常分子量相对较低且分支度较高。相比之下，在粘胶纤维的生产过程中，溶解浆经浓碱溶液处理后产生的半纤维素副产物，其结构主要为直链聚木糖，具有较高结晶度和分子量，以及与纤维素类似的刚性结构，能有效地促进产生和稳定三线态光致发光激子，是开发天然多糖基有机室温磷光材料的理想对象。
对比研究了不同类型半纤维素的室温磷光现象，发现直链聚木糖由于其结构独特、结晶度及刚性高等特性，展现出长达588毫秒的磷光寿命，远长于其他天然高分子。此外，聚木糖具有长寿命以及随激发波长变化和延迟时间变化的颜色可调谐磷光，在外界环境下其余辉可持续4秒，展现出类似于夜明珠的发光效果。
抽丝剥茧：解开聚木糖室温磷光密码
据文章第一作者青年教师吕保中介绍，自然界中纤维素、蛋白质、松香等天然产物均存在着有趣的光致发光现象，最为常见的光致发光即荧光和磷光，研究和解释这一类发光体背后的奥秘具有重要科学意义。已有研究表明木糖具有颜色可调谐磷光，但经实验及测试发现木糖的磷光强度很弱，特别是用长波长紫外光激发时磷光难以用肉眼捕捉。通过对比木糖和聚木糖的紫外-可见光吸收光谱发现，高分子状态下的聚木糖在250 nm以上区域会产生更强烈的吸收，此区域的吸收由形成团簇的复杂电子振动引起，因此，聚木糖形成了更大、更紧密的团簇，更利于发出磷光。同时，分子动力学模拟证明聚木糖中存在大量的氢键，独立梯度模型也表明了聚木糖分子间存在非共价相互作用，能级计算分析出聚木糖分子间存在空间共轭效应。基于以上因素的共同作用，聚集的簇构成了多样的发光中心，同时聚木糖的大分子结晶构象能有效限制分子运动，稳定三线激发态，最终导致聚木糖独特的长寿命颜色可调谐室温磷光现象的产生。
变废为宝：推进有机室温磷光领域绿色发展
聚木糖独特的余辉颜色变化特征赋予了材料优异的信息加密、存储及防伪功能。可进一步通过氧化反应将聚木糖转化为水溶性双醛聚木糖，赋予其加工成型特性，同时羰基的引入可有效促进三线态激子的产生，其寿命延长至近700毫秒，磷光量子产率高达5.8%。由于水溶性双醛聚木糖良好的可加工特性，可进一步将其制备成性能优异的塑形磷光泡沫以及大尺寸、高机械强度的透明磷光薄膜材料。“本研究为半纤维素开拓了新的应用领域，即颜色可调室温磷光体系，并为半纤维素室温磷光材料的设计提供理论依据和技术支撑，推进了有机室温磷光领域的绿色发展，有望在未来满足社会对低成本、无污染、高性能磷光信息功能材料的需求。”彭锋教授如是总结说。
论文链接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00306-X
Nature Highlights链接：https://www.nature.com/articles/d41586-022-02281-y
