通过研磨对铟基手性金属卤化物的手性光学特性进行机械化学工程改造

为更聪明的光研磨晶体

想象一些微小晶体不仅能发出颜色，还能以字面上的“扭转”方式发光——这些材料发出的光波像螺旋一样旋转。这一特性可用于更清晰的 3D 显示、更安全的数据存储和先进的医学成像。问题在于，这类“扭曲光”材料往往难以合成且难以精细调控。本研究揭示了一个出人意料的简单替代方案：仅通过将这些晶体与常见盐类研磨，就能重新编程它们的发光方式，从而解锁新的颜色并增强、可控地生成圆偏振光。

为什么扭曲光重要

普通光在平面内来回摆动，而圆偏振光则随着光束传播，摆动方向呈螺旋形。能够自发发出这种光的材料对未来技术很有价值，例如无眼镜 3D 屏幕、超高密度信息存储、防伪标签和超灵敏传感器。要实用，材料必须既发光强又在两种旋向之间偏好一种，这两者的平衡一直难以实现。传统方法依赖精细的晶体生长或复杂的化学配方，这些方法通常缓慢、易出问题且在晶体形成后难以调整。

用简单成分构建手性晶体

研究人员从基于铟的金属卤化物晶体入手，这些晶体由一种小型手性分子构建——那种在生物体系中常见的镜像异构体。最初的晶体发出天蓝色并伴有长寿命磷光，意味着关灯后仍能持续发光。通过用锑替代部分铟，团队将发射从蓝光移动到温暖的橙色，同时保持了光的手性（即旋向）。这种发出橙光的变体作为多用途的“母体”晶体，之后可以在不重建整体结构的情况下被重新塑形和重新着色。

将研磨作为调节旋钮

关键步骤出乎意料地简单：将母体晶体与不同的溴化物盐（例如溴化钾或用于钙钛矿太阳能电池的有机盐）一起研磨。这样的机械混合使发光颜色在光谱上大幅摆动——从明亮的黄色到深远的近红外——而无需加入稀土元素或更重的碘化物。测量表明，溴离子实际上进入晶体框架，部分替代了氯离子并微微扭曲了金属-卤化物构件。这种纯机械驱动的离子置换改变了晶体吸收和释放光子的方式，包括圆偏振发光的范围和强度。

翻转并增强光的旋向

除了颜色控制外，研磨还改变了晶体扭曲光的强度和旋向。对于某些无机盐，圆偏振发光的强度提高了约十倍，达到了对器件应用非常有吸引力的水平。使用某些有机溴盐时，效果更为显著：在一个实例中，发射光的旋向实际上发生了翻转，就像右旋螺旋在研磨后变为左旋一样。结构研究显示，新形成的氢键网络和溴置换使金属-卤化物八面体重排成镜像相反的手性构型，从而解释了这种翻转。同样的畸变还将二次谐波产生（一种将入射光转换为频率加倍光的非线性光学效应）提升了近三十倍，相对于石英参考样品。

从实验台到发光器件

为了证明这不仅仅是个有趣现象，团队将他们研磨后的粉末涂覆在商业紫外 LED 芯片上。这些简单器件在可见到近红外波段发出圆偏振光，旋向和强度与实验室中观察到的行为高度一致。由于一切由所选盐和研磨方式控制，该方法就像一个用于颜色与手性的机械调节旋钮。通俗地说，作者证明了研钵和杵，再加上合适的盐，就能将一类晶体转变为可精细调谐的扭曲光源——为更易获得、可扩展的先进显示、光学通信和安全光子技术组件铺平了道路。

引用: Wu, J., Li, H., Wang, J. et al. Mechanochemical engineering of chiroptical properties in indium-based chiral metal halides by grinding. Nat Commun 17, 2619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69353-9

关键词: 圆偏振发光, 手性金属卤化物, 机械化学研磨, 近红外发射, 非线性光学