光致变色材料在光照下会发生可逆的结构变化,从而引起光学性质的变化,它们已成为光电子器件、信息存储、光响应材料和生物成像中的分子开关[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。在各种光致变色材料中,二芳基乙烯(DAEs)因其出色的热稳定性、高抗疲劳性和优异的光致变色量子产率[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]而成为最具应用前景的候选材料之一。DAEs通常以两种可相互转化的异构形式存在:无色的开环异构体(DAE(o))和有色的闭环异构体(DAE(c)),它们之间的光异构化是由于中心六三烯部分的环加成反应引起的[[15,16]]。然而,传统的DAEs主要依赖紫外线(UV)光来触发环化,因为DAE(o)的吸收带通常位于UV区域(200–400 nm)[[17,18]]。这一固有的限制严重阻碍了它们在不需要短波长和高能量UV光的场景中的应用,因此迫切需要研究在可见光/NIR光下驱动DAEs的光异构化。
向可见光/NIR光触发方式的转变不仅是一种技术上的改进,也是扩展DAEs应用的关键。在光电子学中,可见光/NIR光可以避免高能量UV光对器件组件的光降解,从而延长器件的使用寿命[[19]]。在生物学背景下,可见光/NIR光对细胞和组织的光毒性最小,并且能够更深入地穿透生物基质,解决了UV光在细胞内成像、光药理学和精密生物传感应用中的限制[[20]]。例如,通过交替使用475 nm和560 nm的可见光照射DAE衍生物,可以在HeLa细胞中实现60 nm的超高分辨率结构,而无需使用有毒的还原剂,这对于实时监测活细胞中的生理过程至关重要。对于信息存储和防伪技术而言,可见光源比UV光源更易获取、成本更低且更安全,有利于大规模的实际应用[[21]]。因此,实现高效、稳定且多功能的可见光/NIR光驱动的DAEs光异构化已成为光致变色材料研究的主要目标。
为了克服DAEs对UV光的依赖性,研究人员开发了多种策略,每种策略都有其独特的机制和权衡[[22]]。一种主要方法是内在分子设计,通过修改DAE的骨架来红移其吸收峰。这通常是通过延长π共轭系统或引入电子给体/受体(D-A)取代基来降低π→π?跃迁的能量间隙来实现的[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。这种策略可以直接产生对可见光响应的DAEs,而无需外部添加剂。然而,这种方法合成过程繁琐,过度的共轭或取代往往会削弱中心六三烯部分对激发态的贡献,从而抑制光致变色活性。此外,结构修改可能会影响DAEs的其他关键性质,如热稳定性或抗疲劳性,导致性能不可预测和开发成本增加。另一种广泛研究的策略是通过共价键合金属络合物(例如Ru、Os、Ir络合物)来增强光敏性[[31], [32], [33], [34], [35], [36]]。这些金属络合物具有强可见光吸收和高效的三重态-三重态能量转移(ISC),从而诱导DAE(o)发生环化。然而,这类络合物往往价格昂贵且难以合成,与有机基质的兼容性较差,限制了其在器件中的集成。第三种策略是多光子激发,通过非线性光学过程(多光子吸收)将近红外(NIR)光转换为紫外光[[37]]。这种方法具有更深的组织穿透能力(适用于NIR光),但效率较低,因为多光子激发需要高功率激光。
在这种背景下,混合策略(即非共价、模块化的组合)应运而生,其中DAEs与功能性添加剂物理混合,将可见光/NIR光转化为活性激发路径,而不改变DAE的分子骨架。混合策略的主要优势在于它们能够将“可见光响应性”与“DAEs的固有性质”分离。研究人员可以选择适当的添加剂来实现可见光驱动的光异构化,从而无需对DAE骨架进行复杂和耗时的合成修改。此外,通过简单改变添加剂的类型或比例,可以针对特定应用调整激发波长、响应速度和环境适应性。鉴于基于混合策略的DAEs光异构化研究的日益关注和快速进展,本文旨在全面概述这一新兴领域。我们将现有的混合策略分为两大类,根据可见光触发光异构化的机制进行分类(图1):(1)基于上转换纳米粒子(UCNPs)的混合系统,这些系统使用掺镧的UCNPs作为NIR到UV/可见光的纳米转换器来触发DAEs的光异构化;(2)基于三重态敏化的混合系统,这些系统利用有机三重态敏化剂促进可见光激发下的三重态-三重态能量转移(TTET)。此外,本文还将讨论该领域未来的主要挑战和预期机遇。
根据上述分类,图2示意性地比较了两种主要混合策略的机制,这两种策略都能实现DAEs在可见光/NIR光下的光环化。基于UCNPs的系统通过上转换过程将NIR光转换为紫外光;而基于三重态敏化的系统则利用三重态敏化剂促进能量转移,使吸收边缘向可见光区域红移,从而实现可见光驱动的光异构化。