实现光学逻辑门的运算，支志明院士团队用过渡金属配合物，制成异质结构和光波导性质

超分子化学，研究的是小分子聚集在一起的过程和结构，这种聚集依赖的不是共价键，而是利用较弱的分子间相互作用。

人体中的各种蛋白质就是一种超分子结构。它由各种各样的肽链聚集产生，也就是说引导最终蛋白质结构形成的不仅有共价键，也有非共价键，又称分子间相互作用力。

而这种分子间相互作用力虽然比较弱，但是对于蛋白质最终形成的结构和性质有着巨大影响。

比如，当我们把一个鸡蛋煮熟，其实并没有改变鸡蛋蛋白质中的共价键，而是改变了其分子间的相互作用（氢键），让蛋白质分子去到另外的聚集体状态，也即失去了活性。

既然通过改变分子的不同聚集状态，可以大大改变其性质。那我们是否可以通过人为方式，控制一些小分子排列的方式，从而实现各种各样的功能？

这就是超分子化学的由来，也是很多超分子化学家一直在研究的方向。而中科院院士、香港大学化学系讲座教授团队，希望能研发出一些小分子聚集体。该课题将其称之为超分子材料，相比单分子其具有与众不同的性质。

图 | 支志明（来源：）

该研究组很早就开始研究超分子化学。2020 年，他们在 Chem 上发表过一篇论文，首次利用分子间的阴离子-阳离子的静电力，来控制分子之间的排列方式和组装方式。

借此，课题组制备出来非常漂亮的多段式结构，发光效率也很高，发光能量也是连续可变的。但是，这一工作当时仅停留在合成以及表征阶段，并没有什么应用。

后来，该团队通过阅读文献发现，教授曾将类似的多段发光结构应用在光子逻辑门运算当中。研究人员表示：“我们觉得非常有意思，教授是微纳光学界的专家，我们读了他的不少论文，发现我们做的这种结构正好可以结合起来。”

而且，该课题组的材料有着非常好的性质。比如，在发光上涵盖从蓝光到近红外，并且能量连续可变。同时，这种材料发光的偏振特性也很强。

更值得一提的是，用该团队早前提出的合成方法，多段之间的顺序是高度可控的，而这对于实现可控的逻辑门运算非常重要。

因此，本次工作同时在超分子化学和微纳光学领域实现了一定突破。研究人员凭兴趣合成出来的结构，将光学对于某些材料功能的特殊要求，完美契合在一起。

这也让该团队对超分子化学的方向越来越有信心，相信将来超分子化学家合成出来的结构，不会只停留在实验室里面，而是走向各种工程、物理、生物的方向。

近日，相关论文以《连续可变可见-近红外发光颜色的光波导异质结构中的光信号调制》（）为题发表在 Advanced Materials 上，万晴云担任第一作者，担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

此次工作被评审人评为“highly important”。研究人员表示：“评审人对我们控制合成出来的多段结构评价很高，也高度肯定了我们将超分子结构用在逻辑门运算中的想法。”

同时，审稿人也给了很多中肯的意见，比如从热稳定性、光稳定性各个角度去衡量这类超分子材料。“这让我们这些做化学的人意识到，提高材料稳定性是非常重要的一个方面。”课题组表示。

未来，该团队希望把多段结构和光子逻辑门结构做得更加可控。因为要想在工程上产生实际应用，都必须是高度可控和高度可重复的。

比如说芯片，通过程序化的光刻过程，让每一片芯片都一模一样，在功能上也是一样的。研究人员表示：“我们所做的光子逻辑门结构在应用上还有很远的路要走。目前正和一些做结构微加工的老师合作，来把结构做得高度可控。”

只有反复证明这些结构在实现某一个功能比如逻辑门运算上的高度可重复和高度可控制，才会带来可能的应用。比如和某些电子元件、电子线路结合在一起，并运用光学和电学的信号，实现更高速的逻辑运算，从而有望用于下一代高速计算机的研发中。

参考资料：

1.Wan, Q., Xiao, K., Li, Z., Yang, J., Kim, J. T., Cui, X., & Che, C. M. (2022). Optical Signal Modulation in Photonic Waveguiding Heteroarchitectures with Continuously Variable Visible‐to‐Near‐Infrared Emission Color. Advanced Materials, 2204839.

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