使用自驱动实验室发现可调且可溶的用于固态激光器的有机发光体

点亮微型激光器的未来

从可穿戴医疗传感器到芯片级实验室诊断，许多新兴技术需要可以像墨水一样印刷而非在无尘室中制造的微型低成本激光器。本研究展示了如何将智能化学与自动化“自驱动”实验室相结合，迅速发现既易于溶液加工又能够产生从紫色到近红外各色近似激光光的有机发光分子。

为什么需要新的造光分子

有机固态激光器具有吸引力，因为它们能发出非常纯净的颜色、可以在光谱中调谐，并且可以用与 OLED 显示相似的碳基材料制成。然而，一个顽固的问题阻碍了它们的普及：许多表现最好的分子体积庞大且在常用溶剂中溶解性差。这使得它们难以通过旋涂或印刷等可扩展技术加工成薄膜，常常迫使研究者依赖缓慢的真空制备方法。作者们着手设计一系列新分子，既保持强劲的激光性能，又具备良好溶解性，从而能以快速低成本的方式制备高质量薄膜。

机器人化学家在化学空间中搜寻

团队以模块化“A–B–A”分子设计为搜索基础。外层“A”单元是基于芴（fluorene）的固定发光构件，因其刚性和明亮荧光而闻名。中心“B”单元是一个可插拔的片段，可通过更换来调节颜色和性能。利用基于量子化学的计算，他们首先筛选了包含252种可能 B 单元的虚拟库。候选者根据其吸光强度以及在更长波长发射的可能性进行排名，这是实现暖色和近红外发射的前提。通过这一虚拟筛选，选出51种有前景的分子进行实际测试。

这51个候选随后交由三级自驱动实验室处理：一个由自动化仪器组成的网络，用于称量固体、进行反应、纯化产物并在最少人工干预下测量光学性质。系统能够在单步中合成每种 A–B–A 分子，完成净化，然后记录其荧光效率以及作为激光介质的适宜性——以“发射增益截面”量化，该指标将亮度和发射速度结合起来。这个闭环使研究者能够比手工实验更快、更系统地探索化学空间。

用于调节颜色与亮度的设计技巧

科学家们首先考察了分子的简单碳氢版本，这些分子大多在紫色和蓝色发光。随后他们在 B 片段中引入了氮、硫、氧及这些“杂原子”的组合。这改变了分子内部电子的运动方式，并略微将颜色推向绿色和青色，但大幅的红移仍难以实现。突破来自两大更丰富的设计族。第一类采用称为二酮吡咯并吡咯（diketopyrrolopyrrole）的环系作为中心 B 单元，并连接噻吩环和芴端基。其中一例突出分子标记为 AM03，在保持强增益的同时将发射推向深红和近红外区域，这是一种罕见的组合。

第二类由苯并二唑（benzodiazole）衍生片段构成，这类片段长期用于绿黄区发光材料。研究者系统地置换环中的杂原子（例如用氧、氮或硒替换硫），加入氟原子，并耦合额外的噻吩环。每一项改动以可预测的方式微调光色和效率：氟通常通过拉紧能级间隙使发射蓝移，而额外的噻吩环延长共轭骨架并推动强烈的红移。一个苯并硒二唑（benzoselenadiazole）衍生物 BD12，耦合噻吩和芴单元，将发射推向700纳米以上，进入技术上重要的近红外区。

从溶液到可用薄膜

为了检验这些新分子在实际器件中的可行性，团队将 AM03 和 BD12 嵌入标准基体材料的薄膜中，基体有助于将能量传递给客体发光体。两种分子在固态中仍保持明亮发光，尤其是 AM03 显示出极高的光放大效率。在短激光脉冲泵浦下，含仅 1% AM03 的薄膜在约 720 纳米处展现出放大自发发射（朝着受激发射的一步），且阈值能量极低，超越了此前红光发射的基准。BD12 也产生了近红外发射，但阈值较高，表明诸如分子聚集等额外损耗仍需控制。

这对日常技术意味着什么

总体而言，该研究表明机器人辅助、计算引导的方法能发现既易于加工又能产生从蓝到近红外可调近激光光的有机分子族。对非专业读者而言，关键信息是我们正在学会通过重新排列分子构件来“调节”颜色和性能，就像在拼装套件中更换零件一样，同时可以让自动化实验室承担大量试验和错误工作。这些进展促使我们更接近可印刷、低成本的激光器，这类激光器可嵌入医疗诊断、环境传感、柔性显示和紧凑光通信中，将复杂的光子学工具缩小为日常设备。

引用: Park, H.S., Mazaheri, M., Choi, C. et al. Discovery of tunable and soluble organic emitters for solid-state lasers with a self-driving laboratory. Nat Commun 17, 2920 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69233-2

关键词: 有机激光器, 自驱动实验室, 发光分子, 近红外发射, 材料发现