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化学所在光子晶体制备及应用研究领域取得系列进展
2008-10-09 | 编辑:lidan | 【 】【打印】【关闭

光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光学半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。近年来,光子晶体的结构、制备和光学特性研究受到全球范围内的高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,化学所宋延林研究员课题组从材料的结构功能设计出发,发展了一种简便制备大面积光子晶体的方法,制备了一系列有特色的聚合物光子晶体材料,并以此为基础研究发展了一系列高性能的光学器件。他们通过设计,制备了具有硬核-软壳结构的乳胶粒,制备得到了具有特殊紧密堆积结构的高强度光子晶体膜(Macromol. Chem. Phys., 2006, 6, 596-604, Cover。利用这种具有特殊核壳结构的乳胶粒组装的胶体晶体作为模板,制备了具有闭孔结构、高强度的反蛋白石光子晶体(J. Mater. Chem., 2008, 18, 2262-2267。通过聚合物结构设计和组装条件的控制得到表面浸润性可控的聚合物光子晶体(Chem. Mater.,2006, 18, 4984-4986; Macromol. Rapid Commun., 2006, 27,188-192; Adv. Funct. Mater., 2007, 17, 219-225, Inside cover使之可以适用于不同基材表面的光子晶体制备进一步实现了对聚吡咯光子晶体表面的光学、电学性质及浸润性进行多重调控Chem. Mater., 2008, 20, 3554-3556)。该课题组同时在发展光子晶体的应用方面取得了系列进展:利用光子晶体的光子带隙特性,实现了染料发光数十倍的增强(J. Mater. Chem., 2007, 17, 90-94;利用光子晶体结构及带隙特征,将金属薄膜能量传递的效率提高了一个数量级(Appl. Phys. Lett., 2007, 91, 203516利用湿度响应的聚丙烯酰胺制备光子晶体,可以通过颜色变化简便地测定环境湿度(J. Mater. Chem.,2008, 18, 1116-1122, Cover)利用亲油的酚醛及炭材料制备的光子晶体可以方便地检测石油品质以及监控石油泄露 (Adv. Funct. Mater., 2008, in press; J. Mater. Chem.,2008, DOI :10.1039/b808675c)。针对目前聚光太阳能电池的缺陷,他们制备了光子晶体聚光器,大大提高了染料敏化电池的输出功,并有效减少紫外或红外聚焦所产生的热效应及对染料的破坏J. Mater. Chem.,2008, 18, 2650-2652, Inside cover)。已申请发明专利16项,授权专利2项,初步形成了较为系统的、具有自主知识产权的光子晶体制备和应用的研究成果。

在以上研究基础上,通过与化学所王树研究员等合作,并结合荧光共振能量转移(FRET)技术,他们提出了一种新的高灵敏度的 DNA 检测方法。他们将光子晶体引入到基于荧光共振能量转移的 DNA 检测体系中,利用光子晶体禁带有效抑制了给体能量的损失,控制了给体能量的衰减方式,将给体光有效地局域化,大大提高了能量传递的效率,使检测灵敏度得到了数百倍的提高,检测限达到 13.5 fM。并且利用光子晶体参与的 DNA 检测体系,实现了常温下 DNA 单个碱基对不匹配的识别。这一研究结果为发展基于光子晶体的高灵敏生物检测芯片提供了新的思路。该研究结果发表在近日出版的《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 72587262, 并被Nature China选为研究亮点报道。

1  a)DNA检测体系中荧光共振能量转移过程; b)光子晶体光子带隙对能量传递调控的示意图

2  a, b) 给体及受体的光学特性及能量转移过程中光谱的变化及在光子晶体中光子带隙对能量传递调控 (c, d)

 

 

         有机固体院重点实验室  新材料实验室

                    2008年10月9

 

 

 

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