等離子體手性光學材料在3D顯示、手性合成和信息存儲等領域至關重要，尤其近紅外區域的響應在生物醫學應用中極具潛力。該類材料主要基于微納加工、化學合成和手性模板組裝等方式制備，其中通過光刻、掠射角沉積等微納加工方法獲得的結構受限于復雜制備工藝，且缺乏可調控性。而現有納米顆粒手性組裝材料的圓二色信號（CD）和光學不對稱因子（g-factor）通常較低，且動態調控能力有限。如何構建在可見到NIR區域具有高手性光學響應的等離子體薄膜，并對其進行動態調控，已成為等離子體手性光子學領域重要的科學問題之一。
圖1. 利用等離子納米顆粒線性組裝結合拉伸的彈性基底構筑手性光學結構
近期，上海科技大學物質科學與技術學院葉春洪教授團隊，通過將具有線二色性的等離子體納米顆粒組裝體與具有雙折射性質的彈性基底相結合，制備了等離子體納米顆粒復合薄膜。這種等離子體納米顆粒復合薄膜在近紅外區域具有高達40 degree的CD，其 g-factor高達1.71，接近理論極限值2，是已報道的手性等離子體納米顆粒組裝結構中最高值。該工作以Dynamic mechanical modulation of chiroptical structures via linearly assembled plasmonic nanoparticles on birefringent polymer films”為題發表在Nature Communications上（Nat. Commun. 2025, 16, 5156）。上海科技大學物質科學與技術學院葉春洪課題組助理研究員孟曉、2024屆博士研究生賀義升為論文的共同第一作者，葉春洪副教授為唯一通訊作者，美國佐治亞理工學院Vladimir V. Tsukruk教授課題組參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學基金、上海市揚帆基金等項目的資助。
圖2. 拉伸彈性基底的雙折射性質（a-d）和金納米顆粒線性組裝體的線二色性（e-f）
該工作基于模板輔助自組裝，在高分子彈性基底上實現了了大面積、高度有序的金納米顆粒（AuNSs）線形組裝。其中AuNSs呈現相互平行的陣列形貌，顆粒之間緊密接觸，產生強烈的等離子體共振效應，基于長程等離子體共振效應，該組裝結構在近紅外區具有光學響應。且該各向異性的AuNSs線形組裝具有線二色性，在長程等離子體共振波段（波長920 nm）的線二向色性比達到0.73。另一方面，彈性高分子基底在機械力拉伸下，實現分子鏈取向，使其具有雙折射性質，提供相位延遲。因此，該光學薄膜結合了線二色性和雙折射性質，分別起到類線偏振片和波片的作用，進而獲得響應波段覆蓋可見光到近紅外區的超高CD信號。
作者進一步探究了CD信號的正負，以及大小的影響因素，發現線二色性越強、相位延遲接近90 degree，則CD越強。且通過改變AuNSs和拉伸PDMS的夾角可以實現CD信號的強度和正負的調控。
圖3. 手性光學性質的動態調控
并且，通過動態拉伸彈性基底的拉伸率，可實現相位延遲的實時調控，并且通過改變AuNSs線形組裝與基底拉伸方向的夾角，可以實現手性光學信號在強度、正負、波長三個維度的動態、可逆調控。
圖4. 金納米顆粒與不同雙折射材料結合獲得手性光學信號
這一策略具有普適性，可擴展至其他具有相位延遲作用的高分子薄膜材料，如：聚乙烯、聚氯乙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯等。在加工過程中，該類高分子在剪切和拉伸應力作用下，具有一定的分子取向，賦予了其一定的雙折射性質。通過結合等離子體納米顆粒線形組裝體，均在可見光區至近紅外區得到了信號強且可控的手性光學信號。
本研究為構建柔性等離體體手性光學薄膜提供了一種有效的策略，其手性光學活性的超大不對稱性和可調性在光學器件、傳感、手性合成等領域具有廣闊的應用前景。
該工作是團隊近期關于等離子體納米顆粒構建手性光學材料及動態調控相關研究的進展之一。近年來，葉春洪課題組在等離子體手性光學方向推進了一系列的工作。包括借助折紙結構在刺激條件下自發地由2D薄膜轉變為3D結構的形變行為，使在薄膜表面初始態為緊密直線型排列的金納米顆粒轉變為三維空間的螺旋線結構，從而獲得手性光學特性（Advanced Materials, 2023, 35, 2303595）；通過將響應性手性多肽納米纖維作為模板，通過靜電相互作用，誘導金納米顆粒自組裝，獲得可調控的手性組裝結構和手性光學信號（Adv. Optical Mater, 2024, 12, 2302728）；利用彈性基底表面微褶皺構建將附著在其表面的線型排列的金納米顆粒組裝體轉變為手性“S”型結構，通過機械拉伸動態調控表面微結構，實現手性結構及其光學性質的動態調控（Small 2025, 21, 2407635）
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60165-x
