金屬有機(jī)骨架材料，或稱金屬有機(jī)框架材料，英語(yǔ)：metal Organic frameworks，縮寫(xiě)：MOF，是新材料在金屬有機(jī)材料中的一個(gè)重要分類，是新無(wú)機(jī)有機(jī)材料中研究最熱門的一個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)樗麄儗砷T經(jīng)常被分開(kāi)的化學(xué)學(xué)科無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)結(jié)合了起來(lái)。該材料由有機(jī)配體配位的金屬原子或原子簇構(gòu)成一維、二維或三維的結(jié)構(gòu)，可用于氣體吸附、氣體儲(chǔ)存、氣體分離、催化劑等領(lǐng)域。

金屬有機(jī)骨架材料

由浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所領(lǐng)導(dǎo)的一組研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了具有多個(gè)段的單晶，以產(chǎn)生受控的單模近紅外（NIR）激光。這一研究為探索利用金屬有機(jī)骨架材料工程技術(shù)為生物光子應(yīng)用構(gòu)建的單模微/納米激光器開(kāi)辟一條新途徑。該最新研究成果論文發(fā)表在最近一期的《自然》雜志下的“光科學(xué)與應(yīng)用”期刊上。

包含從可見(jiàn)光到近紅外的輸出范圍的多色單模偏振微激光器，在光子集成和多峰化學(xué)傳感或成像應(yīng)用中具有重要的應(yīng)用。但是，在實(shí)踐中很難實(shí)現(xiàn)這種裝置。該論文通過(guò)研究計(jì)算，單晶的多個(gè)片段基于與適合綠色、紅色和近紅外激光的染料分子雜交的金屬有機(jī)骨架。微晶中不同染料分子的分段組裝使它充當(dāng)縮短的共振器，以低三色激光閾值（紅色，綠色和NIR）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的多色單模激光。

具有金屬有機(jī)框架的多色單模偏振激光感測(cè)

多色單模偏振激光感測(cè)或成像是一種有前途的診斷技術(shù)。不同的生物組織、細(xì)胞或生物化學(xué)物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的光學(xué)、熱和聲響應(yīng)。具有寬帶多色輸出的光源可以為多模式或多維感測(cè)或成像提供基礎(chǔ)。光的偏振特性為處理散射信號(hào)提供條件，以獲取富含生物材料的結(jié)構(gòu)信息。單模微/納激光器可以滿足小型化光子器件的必要應(yīng)用；其中包括信息準(zhǔn)確性高，避免錯(cuò)誤信號(hào)以及插入不同光信號(hào)的干擾以實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞和分子的目標(biāo)感測(cè)或成像。

金屬有機(jī)骨架是由金屬離子和有機(jī)橋聯(lián)配體組裝而成的周期性晶體材料，可提供強(qiáng)大的混合平臺(tái)來(lái)克服多色微激光器的現(xiàn)有挑戰(zhàn)。該種材料的光滑且規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)可以有效地充當(dāng)光學(xué)諧振器，以提供光反饋。這項(xiàng)研究工作展示了基于不同染料分子的同時(shí)組裝，以實(shí)現(xiàn)多色單模激光發(fā)射。

染料組裝的金屬有機(jī)骨架的合成與表征

金屬有機(jī)骨架微晶包含各種染料分子，科學(xué)家首先使用計(jì)算模擬來(lái)揭示材料的激光發(fā)射模式，以了解可能的激光發(fā)射模式機(jī)制。結(jié)果顯示了用于光子集成和生化傳感或成像的多色固態(tài)微激光器材料的新途徑。研究小組控制了金屬有機(jī)骨架晶體的單向生長(zhǎng)，以在結(jié)構(gòu)上組裝不同的客體材料/染料分子，并合成了染料組裝的分層雜化金屬-有機(jī)骨架。研究小組對(duì)在分層微晶上組裝的染色進(jìn)行了粉末X射線衍射圖，與模擬結(jié)果非常吻合。

多色熒光和多色激光性能

研究小組比較了染色組裝的雜化晶體的光致發(fā)光光譜。為此，他們確定了綠色、紅色和近紅外發(fā)射峰，使用多通道共聚焦激光顯微鏡，展示了具有三種染料的混合單晶如何與入射光和濾光片模塊組合以進(jìn)行分段激發(fā)和不同顏色的熒光信號(hào)輸出。該過(guò)程防止了染料組裝過(guò)程中因聚集而引起的猝滅效應(yīng)，并有助于將能量從短波長(zhǎng)染料分子轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)波長(zhǎng)染料分子，從而實(shí)現(xiàn)高效的多波長(zhǎng)發(fā)射輸出。

混合微晶中的掃描激光性能

該團(tuán)隊(duì)可以同時(shí)激發(fā)兩個(gè)晶體段交界處的材料，以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得亮綠色/紅色或紅色/ NIR激光。獨(dú)特的設(shè)置允許在微納米空間中控制特定顏色或顏色組合的激光，以用于各種生物光子應(yīng)用。到目前為止，科學(xué)家們?cè)诰哂忻黠@激光偏振的三色混合晶體中實(shí)現(xiàn)了三波長(zhǎng)單模激光發(fā)射。通過(guò)對(duì)齊這些染料分子的發(fā)射躍遷。獲得顯著的發(fā)射各向異性（即熒光團(tuán)發(fā)射的光具有相同的強(qiáng)度）。這種各向異性的多色激光結(jié)果對(duì)于生物化學(xué)傳感或成像以及光信號(hào)處理應(yīng)用具有巨大的潛力。

研究團(tuán)隊(duì)從而在金屬有機(jī)骨架微諧振器上的宿主-客體雜化過(guò)程中開(kāi)發(fā)了不同染料分子的層次組裝。使用該平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)三波長(zhǎng)的單模激光發(fā)射。分段組件控制微激光器的顏色輸出，并解決了不同染料分子之間能量轉(zhuǎn)移的不利影響。三色單模激光工藝以單片結(jié)構(gòu)提供了從可見(jiàn)光到NIR的波長(zhǎng)范圍，從而簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)用于多峰生物光子應(yīng)用的單模激光結(jié)構(gòu)的過(guò)程。

參考：Huajun He et al. Controllable broadband multicolour single-mode polarized laser in a dye-assembled homoepitaxial MOF microcrystal,Light: Science & Applications. DOI: 10.1038/s41377-020-00376-7