液晶的四重螺旋反转现象，由一种具有内在手性的光驱动分子机器通过直接传递手性信号来调控

《Advanced Materials》：Quadruple Helix Inversions of Liquid Crystals Orchestrated by Direct Chirality Transmission of an Intrinsically Chiral Light-Driven Molecular Machine

本研究设计了一种具有四态动态手性的分子机器，通过近红外光调控液晶超分子螺旋结构，实现高光量子产率下的高效、可逆螺旋反转，为智能光学材料提供了新策略。

　　本研究聚焦于一种新型的液晶（Liquid Crystal, LC）软材料，旨在通过引入具有刺激响应特性的分子机器，实现对液晶螺旋结构的动态调控。液晶因其高度有序的分子排列和对外界刺激的敏感性，在光学材料领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前能够实现多态、可区分的螺旋结构调控的分子候选物仍然十分有限。因此，本研究设计并合成了一种具有四态动态手性特性的分子机器，其不仅具备优异的光响应能力，还能够在外部刺激下实现连续的四次螺旋反转，从而显著提升液晶材料的性能。

分子手性在自然界中扮演着至关重要的角色，例如生命起源过程中，同手性被认为是生物特征的重要标志之一。科学家们通过研究小分子手性与生物功能之间的关系，启发了人工系统的设计，使其能够模拟生命体中的动态行为。然而，人工系统的响应能力与自然生物系统相比仍显不足，这主要是因为宏观运动的实现需要复杂的分子组织结构、协同性和分子同步性。此外，如何通过外部刺激，如光，以高时空精度、非侵入性的方式诱导宏观运动，是推动响应材料发展的关键。因此，开发能够实现多态手性调控的动态小分子，对于下一代智能光学材料的构建具有重要意义。

在本研究中，研究人员设计了一种具有内在手性的分子机器，该分子能够在光照条件下实现四态的动态手性转换。这种分子不仅具有优异的光响应性能，还能够通过分子运动实现对液晶螺旋结构的调控。研究发现，该分子的结构设计使其能够在液晶中实现高效的螺旋反转，从而产生显著的螺旋扭曲力（Helical Twisting Power, HTP）。这种多态手性调控能力为构建具有智能响应特性的光学材料提供了新的思路。

为了实现这种动态手性调控，研究团队引入了一种新型的分子设计策略，即通过引入形式基团（formyl groups）来调控分子的吸收光谱，从而使其能够在更宽的波长范围内响应光刺激。这一设计不仅提升了分子的光效率，还有效避免了紫外光可能引起的光降解问题。同时，分子机器的结构设计使其能够在液晶中保持高度的稳定性，确保其在外部刺激下能够反复、高效地进行状态转换。

在实验过程中，研究人员利用多种光谱技术对分子的动态行为进行了详细研究。例如，通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、电子圆二色光谱（ECD）和氢核磁共振（¹H-NMR）等手段，验证了分子在不同状态下的吸收特性及手性反转情况。研究结果表明，该分子能够在光照条件下经历四次连续的螺旋反转，并且在液晶中表现出显著的螺旋扭曲力。这一发现为构建具有多态调控能力的智能光学材料提供了实验依据。

此外，研究人员还探讨了该分子在液晶中的光学性能。通过制备含有该分子的液晶薄膜，他们发现该材料能够在不同波长的光照射下产生显著的颜色变化。例如，当使用紫外光照射时，液晶薄膜的颜色会从橙色变为红色，随后逐渐消失，并在短波长区域重新出现。这一现象表明，分子的光响应行为能够有效调控液晶的光学特性。同时，研究还发现，该分子的四态行为可以被近红外（NIR）光所激活，通过引入上转换纳米颗粒（Upconversion Nanoparticles, UCNPs）作为光转换媒介，实现了对液晶螺旋结构的非侵入性调控。UCNPs能够将近红外光转换为紫外光，从而驱动分子机器的旋转，进而改变液晶的螺旋结构和光学性能。

在实际应用中，这种多态调控能力对于构建智能光学材料具有重要意义。例如，该材料可以用于动态伪装、数据加密等高精度光学调控场景。研究团队还发现，该分子的四态行为能够实现高光效率和可逆性，这在智能材料的设计中是极为关键的参数。通过在液晶中实现多态手性调控，该分子不仅能够提升材料的响应能力，还能够增强其在复杂环境下的稳定性。

为了进一步验证该分子的性能，研究人员对液晶材料的光学特性进行了系统研究。他们发现，该分子在液晶中能够显著提升螺旋扭曲力，并且其在不同液晶基质中的表现具有高度的可调性。例如，在不含芳香环的液晶基质中，该分子的螺旋扭曲力略低于在含有芳香环的基质中，这可能与分子与基质之间的相互作用有关。此外，该分子在液晶中的光效率与在溶液中的表现相当，甚至更高，这表明其在实际应用中具有较大的潜力。

研究团队还利用该分子的四态行为，成功实现了对液晶材料的光控图案记录与擦除。通过在特定区域施加紫外光照射，研究人员能够记录特定的光学图案，并在需要时通过蓝光照射将其擦除。这一过程不仅展示了该分子在光学信息存储方面的潜力，还表明其在智能材料中的应用前景。此外，研究还发现，该分子的光响应行为具有良好的可重复性，且在多次循环后仍能保持较高的性能，这进一步验证了其作为智能光学材料候选分子的可行性。

总的来说，本研究提出了一种具有四态动态手性的分子机器，该分子能够通过光刺激实现对液晶螺旋结构的精确调控。这种设计不仅克服了传统分子在光响应能力、稳定性及多态调控方面的不足，还为构建具有高智能性的光学材料提供了新的思路。研究团队通过实验验证了该分子在不同液晶基质中的性能，并展示了其在光学图案记录、动态颜色调控等方面的应用潜力。未来，这种分子有望在智能光学器件、光控材料以及生物兼容性材料等领域发挥重要作用。