實現光學邏輯門的運算，支志明院士團隊用過渡金屬配合物，製成異質結構和光波導性質

超分子化學，研究的是小分子聚集在一起的過程和結構，這種聚集依賴的不是共價鍵，而是利用較弱的分子間相互作用。

人體中的各種蛋白質就是一種超分子結構。它由各種各樣的肽鏈聚集產生，也就是說引導最終蛋白質結構形成的不僅有共價鍵，也有非共價鍵，又稱分子間相互作用力。

而這種分子間相互作用力雖然比較弱，但是對於蛋白質最終形成的結構和性質有着巨大影響。

比如，當我們把一個雞蛋煮熟，其實並沒有改變雞蛋蛋白質中的共價鍵，而是改變了其分子間的相互作用（氫鍵），讓蛋白質分子去到另外的聚集體狀態，也即失去了活性。

既然通過改變分子的不同聚集狀態，可以大大改變其性質。那我們是否可以通過人爲方式，控制一些小分子排列的方式，從而實現各種各樣的功能？

這就是超分子化學的由來，也是很多超分子化學家一直在研究的方向。而中科院院士、香港大學化學系講座教授團隊，希望能研發出一些小分子聚集體。該課題將其稱之爲超分子材料，相比單分子其具有與衆不同的性質。

圖 | 支志明（來源：）

該研究組很早就開始研究超分子化學。2020 年，他們在 Chem 上發表過一篇論文，首次利用分子間的陰離子-陽離子的靜電力，來控制分子之間的排列方式和組裝方式。

藉此，課題組製備出來非常漂亮的多段式結構，發光效率也很高，發光能量也是連續可變的。但是，這一工作當時僅停留在合成以及表徵階段，並沒有什麼應用。

後來，該團隊通過閱讀文獻發現，教授曾將類似的多段發光結構應用在光子邏輯門運算當中。研究人員表示：“我們覺得非常有意思，教授是微納光學界的專家，我們讀了他的不少論文，發現我們做的這種結構正好可以結合起來。”

而且，該課題組的材料有着非常好的性質。比如，在發光上涵蓋從藍光到近紅外，並且能量連續可變。同時，這種材料發光的偏振特性也很強。

更值得一提的是，用該團隊早前提出的合成方法，多段之間的順序是高度可控的，而這對於實現可控的邏輯門運算非常重要。

因此，本次工作同時在超分子化學和微納光學領域實現了一定突破。研究人員憑興趣合成出來的結構，將光學對於某些材料功能的特殊要求，完美契合在一起。

這也讓該團隊對超分子化學的方向越來越有信心，相信將來超分子化學家合成出來的結構，不會只停留在實驗室裡面，而是走向各種工程、物理、生物的方向。

近日，相關論文以《連續可變可見-近紅外發光顏色的光波導異質結構中的光信號調製》（）爲題發表在 Advanced Materials 上，萬晴雲擔任第一作者，擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

此次工作被評審人評爲“highly important”。研究人員表示：“評審人對我們控制合成出來的多段結構評價很高，也高度肯定了我們將超分子結構用在邏輯門運算中的想法。”

同時，審稿人也給了很多中肯的意見，比如從熱穩定性、光穩定性各個角度去衡量這類超分子材料。“這讓我們這些做化學的人意識到，提高材料穩定性是非常重要的一個方面。”課題組表示。

未來，該團隊希望把多段結構和光子邏輯門結構做得更加可控。因爲要想在工程上產生實際應用，都必須是高度可控和高度可重複的。

比如說芯片，通過程序化的光刻過程，讓每一片芯片都一模一樣，在功能上也是一樣的。研究人員表示：“我們所做的光子邏輯門結構在應用上還有很遠的路要走。目前正和一些做結構微加工的老師合作，來把結構做得高度可控。”

只有反覆證明這些結構在實現某一個功能比如邏輯門運算上的高度可重複和高度可控制，纔會帶來可能的應用。比如和某些電子元件、電子線路結合在一起，並運用光學和電學的信號，實現更高速的邏輯運算，從而有望用於下一代高速計算機的研發中。

參考資料：

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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