金屬有機骨架材料，或稱金屬有機框架材料，英語：metal Organic frameworks，縮寫：MOF，是新材料在金屬有機材料中的一個重要分類，是新無機有機材料中研究最熱門的一個領(lǐng)域，因為他們將兩門經(jīng)常被分開的化學(xué)學(xué)科無機化學(xué)和有機化學(xué)結(jié)合了起來。該材料由有機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、氣體儲存、氣體分離、催化劑等領(lǐng)域。

金屬有機骨架材料

由浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院硅材料國家重點實驗室所領(lǐng)導(dǎo)的一組研究團隊，開發(fā)了具有多個段的單晶，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，在實踐中很難實現(xiàn)這種裝置。該論文通過研究計算，單晶的多個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）實現(xiàn)動態(tài)的多色單模激光。

具有金屬有機框架的多色單模偏振激光感測

多色單模偏振激光感測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)對不同波長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或成像提供基礎(chǔ)。光的偏振特性為處理散射信號提供條件，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，避免錯誤信號以及插入不同光信號的干擾以實現(xiàn)不同細(xì)胞和分子的目標(biāo)感測或成像。

金屬有機骨架是由金屬離子和有機橋聯(lián)配體組裝而成的周期性晶體材料，可提供強大的混合平臺來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。這項研究工作展示了基于不同染料分子的同時組裝，以實現(xiàn)多色單模激光發(fā)射。

染料組裝的金屬有機骨架的合成與表征

金屬有機骨架微晶包含各種染料分子，科學(xué)家首先使用計算模擬來揭示材料的激光發(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骨架晶體的單向生長，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-有機骨架。研究小組對在分層微晶上組裝的染色進行了粉末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行分段激發(fā)和不同顏色的熒光信號輸出。該過程防止了染料組裝過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染料分子轉(zhuǎn)移到長波長染料分子，從而實現(xiàn)高效的多波長發(fā)射輸出。

混合微晶中的掃描激光性能

該團隊可以同時激發(fā)兩個晶體段交界處的材料，以通過實驗獲得亮綠色/紅色或紅色/ NIR激光。獨特的設(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)家們在具有明顯激光偏振的三色混合晶體中實現(xiàn)了三波長單模激光發(fā)射。通過對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（即熒光團發(fā)射的光具有相同的強度）。這種各向異性的多色激光結(jié)果對于生物化學(xué)傳感或成像以及光信號處理應(yīng)用具有巨大的潛力。

研究團隊從而在金屬有機骨架微諧振器上的宿主-客體雜化過程中開發(fā)了不同染料分子的層次組裝。使用該平臺，可以實現(xiàn)高達(dá)三波長的單模激光發(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)提供了從可見光到NIR的波長范圍，從而簡化了開發(fā)用于多峰生物光子應(yīng)用的單模激光結(jié)構(gòu)的過程。

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