超分子插层结构晶态功能薄膜材料的组装及其光学性能研究

阴离子插层结构水滑石（LDHs）粉体材料已表现出丰富的功能性，若进一步将其薄膜化，则可为发展功能薄膜以及功能器件开辟新的途径，同时可基于固体化学原理发现新的科学问题。本项目提出以LDHs为主体，光活性分子为客体，经插层组装和剥层组装制备系列新型无机－有机超分子结构光功能薄膜材料。以发光性能为研究导向，以强化薄膜材料的发光效率、提高其光学性能为研究目标，对该类复合薄膜材料的超分子结构、能带特征、主客体作用力进行系统和深入研究，以期得到具有优良发光性能及智能响应的晶态薄膜材料。围绕此类薄膜材料的结构设计、制备规律、结构与发光性能的强化开展基础和应用基础研究，通过解决此类发光薄膜材料的可控组装和发光性能中的关键科学问题，构筑具有特色的研究体系，建立超分子插层结构发光薄膜材料的研究平台，实现系列光功能薄膜材料的结构创新，推动超分子插层结构功能材料的可持续发展。

二维层状材料因其构筑基元与化学键型的多样性，为新型晶态功能薄膜材料的结构设计和可控制备提供了丰富的研究和创新平台。本项目以二维层状材料复合金属氢氧化物（LDHs）为主体，光活性物种为客体，构筑了新型超分子插层结构光功能薄膜材料。围绕晶态功能薄膜的插层结构设计、插层组装过程控制、插层结构材料性能强化开展了深入系统的基础与应用基础研究，取得了如下成果：.(1) 系统研究了插层结构光功能材料的构筑原则。发展了针对LDHs光功能材料体系的新力场(LDHFF)，并在多种体系中验证了其有效性，解决了长久以来LDHs光功能材料分子动力学模拟研究中势函数和力场参数缺失的问题。进一步探索了插层结构的限域效应（几何限域和能量限域）与光功能强化的内在关联，揭示了插层结构光功能材料的能级特征和性能优势。.(2) 提出了光功能薄膜材料插层组装的新方法。发展了插层组装、剥层组装、原位生长、共生组装、外场辅助组装等方法，拓展了二维结构光功能材料的组装范畴，实现了对插层结构的精准调控，为构效关系的研究提供了方法学基础。.(3) 以光功能为导向实现了插层材料的结构设计与性能调控。获得了系列插层结构光功能薄膜材料：多色和白光显示材料，偏振发光材料，非线性光学材料，逻辑门传感材料，以及对外界刺激（光、电、力、热等）响应的智能薄膜材料。通过解决插层结构光功能材料的结构设计、可控组装中的关键科学问题，实现了光功能调控和强化。.(4) 探索了插层结构光功能材料在生物医学领域的应用。构建的超分子插层结构光敏材料有效解决了传统光敏剂的聚集问题，用于光动力治疗肿瘤显示出高稳定性、良好的生物相容性和低细胞毒性，具有潜在的应用前景。. 项目执行期间，在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、Chem. Commun.等国内外学术刊物发表SCI收录研究论文80篇；作为卷主编为Structure and Bonding编著了第166卷。授权国际专利2件；授权国家发明专利23件；培养博士研究生12名、硕士研究生6名；两名博士分别入选2012和2013年度北京市优秀博士论文。