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【JACS】15种坚果的神奇发光：天然室温磷光材料的潜力大爆发！ ​

文章信息 ​

📚文章标题：Prevalent Room-Temperature Phosphorescence in Natural Nuts 作者：Ruizhi Yang等 期刊：Journal of the American Chemical Society 链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c10814

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近年来，室温磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）在信息加密、生物成像、光电显示等领域展现出广泛应用前景。然而，大多数RTP材料依赖石油化工合成，存在成本高、环境负担重等问题。本文介绍的一项最新研究揭示：超过15种天然坚果竟然具备显著的室温磷光特性，或将成为可持续发光材料的新来源。

🌰天然坚果为何能发光？ ​

研究团队系统分析了包括腰果、澳洲坚果、杏仁、核桃、松子、花生、白芸豆等在内的15种植物种子，发现它们在365 nm或254 nm紫外光照射下均能产生肉眼可见的磷光，持续时间长达7秒以上。更令人惊讶的是，这些发光现象在常温常压下即可实现，无需复杂处理。

坚果的磷光主要来源于其内部微量芳香族营养物质（如维生素B族、芳香氨基酸、核苷酸）与非芳香基质（如淀粉、膳食纤维、蛋白质）之间的协同作用。这些芳香分子在坚果基质中形成聚集态或激发态复合物，从而触发磷光效应。 image.png

🔬深入解析：分子机制与光谱特征 ​

研究采用稳态与延迟光致发光（PL）光谱、扫描电子显微镜（SEM）、密度泛函理论（DFT）计算等手段，全面揭示了坚果磷光的分子机制： image.png

  • 发光波段广泛：坚果的磷光覆盖从紫外至红光的整个可见光区（<400 nm 至 >700 nm），不同坚果呈现不同颜色的磷光。
  • 激发依赖性强：使用不同波长的紫外光（254 nm与365 nm）激发，坚果表现出不同的发光颜色与寿命。例如，白芸豆在280 nm激发下的磷光寿命高达1332.4 ms。
  • 多组分协同发光：坚果中的芳香族营养物质虽含量低至ppm级，但在非芳香基质中形成稳定聚集态，显著增强磷光强度。
  • 温度影响显著：在液氮冷却条件下，坚果的磷光寿命显著延长，发光谱更清晰，表明热运动对非辐射衰减有重要影响。 image.png

🧪模型验证：芳香营养物质的磷光能力 ​

为了验证芳香营养物质的磷光能力，研究者将维生素B1、B2、芳香氨基酸（如色氨酸、苯丙氨酸）和核苷酸分别掺杂进葡萄糖或淀粉基质中，模拟坚果内部环境。结果显示：

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  • 掺杂后的基质在常温下均能产生明显磷光，且发光颜色与激发波长密切相关。
  • 维生素B2在葡萄糖中形成双峰磷光（550 nm与617 nm），表现出红光特性。
  • DFT计算显示，色氨酸、VB1、VB2具有较高的激发态振子强度与自旋轨道耦合常数，解释了其强磷光能力。

🎨调控坚果磷光：外源掺杂的妙用 ​

研究进一步探索了通过掺杂外源芳香族化合物（如苯并酸、菲羧酸、芘羧酸）调控坚果磷光的策略：

  • 颜色调控：掺杂不同化合物可使坚果磷光从蓝光、绿光延伸至红光，实现全色系发光。
  • 寿命延长：如掺杂菲羧酸后，澳洲坚果的磷光寿命延长至1.38秒以上。
  • 激发波长选择性增强：不同掺杂物对不同波长激发响应更强，可用于多级信息编码。

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🧩应用展示：从发光工艺品到信息存储 ​

研究团队将坚果粉末与环氧树脂结合，制作出多种3D发光工艺品与PMMA雕刻板：

  • 3D发光花朵与龙印：在不同紫外光照射下呈现多色磷光，具有极高的视觉冲击力。
  • 多级信息存储：通过调控激发波长与延迟时间，可实现图案的多层次发光识别，具备防伪与加密潜力。 image.png

🌱环保与可持续性：坚果RTP的未来价值 ​

相比传统石油基RTP材料，天然坚果具备以下优势：

  • 来源广泛，成本低廉，可大规模生产；
  • 无毒环保，适用于食品、儿童玩具等敏感领域；
  • 可作为磷光基质或发光客体，灵活性强；
  • 有望替代现有RTP材料，助力碳中和与绿色制造。

📌结语：坚果不只是零食，更是发光的未来 ​

这项研究不仅揭示了坚果的隐藏发光能力，更为天然磷光材料的开发提供了全新思路。未来，坚果或将成为信息加密、智能包装、生物成像等领域的绿色发光载体。谁能想到，手中的一颗腰果，竟蕴藏着如此丰富的光学潜能？