近日，高振华教授课题组在有机微纳光子材料与信息编码器件领域取得重要进展。相关研究成果以“Suppressing Ostwald Ripening Enables Programmable Growth of Radially Hierarchical MOF Superstructures Toward Multichannel Optical Waveguiding”为题发表在国际化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》（缩写Angew. Chem. Int. Ed.）上。齐鲁工业大学（山东省科学院）为论文唯一署名单位，材料科学与工程学部硕士研究生王凯和巩国贤为论文共同第一作者，微纳光电功能材料创新团队高振华教授为通讯作者。
随着光学逻辑运算和波分复用技术的快速发展，能够实现可编程、多通道光信号输出的微纳光子结构受到广泛关注。金属有机框架（MOF）因具有明确的晶体结构和丰富的配位模式，为构筑复杂分支光波导结构提供了理想平台。然而，现有分支结构通常在主体晶体侧面成核生长，由于次级分支的晶体学取向难以精确控制，容易产生较大的角度偏差，进而降低不同光传输通道之间的耦合效率。相比之下，在一维微棒末端构筑具有对称径向排列分支的分级超结构，有望减小光波导之间的角度失配，实现高效的多方向光信号传输。然而，传统晶体生长过程中的奥斯特瓦尔德熟化效应会促使小尺寸晶核逐渐溶解并向较大晶体重新沉积，使晶体生长倾向于一维延伸，阻碍次级晶核的稳定存在及径向分支的形成。因此，如何有效调控晶体成核与生长过程，抑制奥斯特瓦尔德熟化对径向分支生长的限制，实现高度有序的径向分级MOF超结构可控构筑，成为该领域亟待解决的关键问题。
针对上述挑战，高振华教授课题组提出了一种基于抑制奥斯特瓦尔德熟化的可编程成核调控策略，通过协调晶体成核与生长过程，实现了径向分级MOF超结构的空间可控构筑。研究人员利用不同有机溶剂在不同温度下的分解行为，实现了晶体成核速率的阶段性调控，并通过引入乙醇稳定小尺寸晶核，有效抑制奥斯特瓦尔德熟化过程。在初始低温阶段，晶体沿[001]方向优先生长形成一维MOF微棒；随着反应温度升高，体系成核速率显著增加，在微棒末端较高表面能的作用下发生局域二次成核，随后次级晶核沿各自晶体学方向继续生长，最终形成两端具有有序径向分支的分级MOF超结构。在此基础上，通过调节溶剂组成及反应程序，实现了径向分支数量和主体与分支相对尺寸的可控调节，展示了该策略在复杂分级超结构构筑方面的良好可调性（图1）。
图1. 抑制奥斯特瓦尔德熟化诱导径向分级MOF超结构的可编程组装
在此基础上，研究人员利用稀土MOF材料良好的结构同构性及不同稀土离子优异的发光特性，成功构筑了具有空间分辨多色发光特征的径向分级异质结构。通过调控不同发光组分的空间分布，实现了多色发光模块在径向分级结构中的可控集成。得益于独特的径向分支构型，该异质结构能够实现光信号的多方向传输与多通道输出，并通过改变激发位置获得不同的光谱信号。进一步地，研究团队利用异质结构的温度响应发光特性，实现了光学信号的动态调控，并将不同温度下的光谱信息转化为二进制逻辑信号，成功展示了动态光学信息编码功能。该工作提出的可编程生长策略，不仅为构筑具有复杂空间构型的分级MOF超结构提供了新思路，也为多通道光信息传输、动态光学调控及先进光电子器件等领域的应用开辟了新的路径。
论文信息：
Suppressing Ostwald Ripening Enables Programmable Growth of Radially Hierarchical MOF Superstructures Toward Multichannel Optical Waveguiding
Angewandte Chemie International Edition DOI：10.1002/anie.3509498
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.3509498
