中科院福建物构所黄伟国课题组AM：新策略点亮非共轭聚合物，实现全色荧光发射

非共轭聚合物因其宽能隙和有限的光吸收能力，通常不具备发光特性，这极大限制了它们在生物成像、诊断、传感和数据保护等领域的应用潜力。传统方法虽尝试通过化学修饰或掺杂来激活其荧光，但往往伴随苛刻的反应条件、副产物生成以及对原始聚合物结构的破坏，难以在保留其优异加工性和生物相容性的同时实现可调控的发光行为。

近日，中国科学院福建物质结构研究所黄伟国课题组提出了一种创新策略，通过构建“多米诺效应触发射”机制，成功实现了非共轭聚合物的全色发光。该策略利用微量荧光团作为“触发器”，与多个非发射性聚合物链形成超分子组装体，通过空间共轭促进电子离域，缩小能隙，并引发电荷转移，从而产生显著红移且可调制的荧光发射。该方法无需复杂化学反应，具有优异的可扩展性和工艺兼容性，为荧光材料的开发开辟了新途径。相关论文以“Lighting Up the Non-conjugated Polymers in Full Color via Domino-Effect Triggered Emission”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队设计并合成了多种菲啶类荧光团，其单晶结构显示它们具备通过极性-π相互作用与聚合物链结合的能力。当将这些荧光团与聚五氟苯丙烯酸酯等非共轭聚合物混合时，随着聚合物浓度升高，荧光发射发生显著红移，例如PCZ-1的发射峰从452纳米移至637纳米，呈现出从蓝到橙红的颜色变化。这一现象在多种聚合物体系中被验证，包括聚丙烯酸酯、聚酯、聚酰胺等，显示出该策略的普适性。

图1：传统方法与本工作的对比传统方法依赖于化学连接、研磨、端基效应等方式激活聚合物荧光，而本工作通过物理混合微量荧光团与聚合物，随着浓度、分子量或链长的增加，触发多米诺效应，实现全色发射，具有荧光团负载量低、可扩展性强等优势。

图2：荧光团与聚合物的化学结构展示了六种菲啶类荧光团的单晶结构（PCZ-1、PTA、PCZ-DA、PCZ-2、PB）及DFT优化的PCZ-3结构，以及用于对照的常规荧光团（吡啶、菲、芘）和聚合物结构示意图。

通过荧光滴定和等温滴定量热法，研究人员证实了荧光团与聚合物之间存在强烈的结合作用，其结合常数远高于传统主客体系统。理论计算进一步揭示了PCZ-1与pPFPA之间具有较高的结合能，且电荷转移主要发生在荧光团的咔唑单元与聚合物链之间，从而形成电荷转移复合物，并导致红移发射。

图3：荧光团在溶液、固态及聚合物基质中的光物理性质显示了PCZ-1等荧光团在加入pPFPA后发射光谱的红移现象，以及在不同聚合物浓度下实现的从蓝到红的全色发射，CIE色度图进一步验证了颜色可调性。

研究团队将这一光物理过程形象地称为“多米诺效应触发射”：荧光团作为触发器，聚合物重复单元作为多米诺骨牌，通过有序的电子传递实现信号级联放大。随着聚合物链长度或浓度的增加，红移效应愈加明显，恰如多米诺骨牌连锁反应中的能量积累与释放。

图4：多米诺效应触发射机制展示了PCZ-1与pPFPA随时间共组装形成荧光颗粒的过程，荧光滴定与ITC结果证明二者形成强结合复合物，发射随pPFPA浓度增加而红移，符合多米诺连锁放大效应。

图5：荧光团与聚合物之间的相互作用通过IRI分析和HOMO-LUMO能级图揭示PCZ-1与pPFPA之间的强相互作用与电荷转移路径，瞬态吸收光谱进一步证实了激发态电荷转移过程的存在。

利用该机制，研究人员成功构建出无需传统RGB染料的“魔法调色板”。仅通过混合三种蓝色荧光团与聚合物，即可实现从红、绿、蓝到黄、青、紫乃至纯白色发的精准调控。进一步地，他们开发出基于荧光颜色变化的多输入“AND-OR”逻辑门，并实现了序列依赖的动态信息加密，只有在正确的输入顺序下才能解出预设的荧光密码。

图6：基于DTE的魔法调色板与逻辑加密展示了通过混合三种蓝色荧光团与聚合物实现全色发射，构建多输入AND-OR逻辑门，并开发出序列依赖的动态荧光加密系统，只有在正确输入顺序下才能解出预设信息。

在应用方面，该技术被成功用于全彩色3D荧光打印。通过将不同荧光团掺杂至光聚合前驱体中，打印出具有红、橙、黄、绿、青、蓝及白色荧光的蝴蝶和数字模型，展现出优异的色彩表现力和机械性能。此外，荧光团还能作为粘合剂强度的自主指示剂：随着光照时间延长，聚合物网络刚性增强，荧光颜色从蓝向绿转变，与粘附强度的提升呈正相关，为智能粘合剂和实时力学传感提供了新思路。

图7：DTE荧光团的应用展示包括3D全彩色荧光打印的蝴蝶、数字与蜂窝结构，以及基于荧光颜色变化实时指示粘合剂强度的示意图，显示出在智能材料与光学器件中的广泛应用潜力。

这项研究通过“多米诺效应触发射”机制，成功实现了非共轭聚合物的全色发光，展现出优异的可调性、动态响应性和广泛适用性。该策略不仅为多功能荧光材料的开发提供了新范式，也为光学逻辑加密、智能显示、3D打印与实时力学传感等前沿应用奠定了坚实基础，展现出广阔的产业化前景。