COF分子尺度的微觀結構對其光學效能有重要影響，除了已被廣泛認識的有機官能團作用，本文分析並揭示了三個關鍵結構因素（連線，取向和排列）對COF宏觀光學效能的重要性。
工作介紹具有特殊效能的光學材料在我們的日常生活及工業生產中發揮著重要的作用。在經典聚合物中，透過調節分子的連線（C）方式能夠一定程度上增強材料的光學效能，在小分子晶體中調控分子取向（O）及排列（A）也能提升材料光學效能，而COF材料結合了兩者的優勢，能夠實現對連線，取向和排列三個關鍵結構因素的同時調控，從而使材料具有優異的光學效能（圖1）。
本文基於目前已被報導的具有特殊光學效能的COF材料，並結合課題組的實驗經驗及COF結構方面的理論基礎，分析凝練出影響COF光學效能的三個重要結構因素。目前不同發光機理的熒光小分子，包括聚集誘導發光（AIE）分子和聚集熒光淬滅（ACQ）分子，都能用於合成特殊光學效能的COF，然而，這三個結構因素的調控機制截然不同。因此，在此工作中，分別探討了在具有AIE和ACQ構築單元的COF中如何透過調控分子的連線，取向和排列來獲得優異的光學效能。具體來說，對於AIE分子，需要透過調控COF的這三個結構因素使AIE官能團聚集從而抑制分子內旋轉來減少非輻射損失，實現光學效能的提升。例如在三維COF中，可以透過構築多重穿插結構來使AIE分子聚集，而在二維COF中則可以運用重疊的層間堆積、層內框架鎖定、延展共軛或共價環化的方法來使AIE分子聚集，來使AIE COF具有優異光學效能；對於ACQ分子，則需要透過調控這三個結構因素來避免其聚集導致的熒光淬滅。例如透過COF的三維結構使ACQ分子分散在三維框架中從而避免聚集，而在二維結構中，可以充分利用其層間錯位堆積、增大層間距或調控電子分佈等方法減弱ACQ效應，使得ACQ COF具有優異光學效能（圖2）。
此外，這些光學COF材料在生物醫用和智慧材料等前沿領域具有潛在應用價值。例如無活性氧產生能力的小分子可以透過構築成COF的方式來實現優異的活性氧產生能力並用於腫瘤治療；光異構小分子單元與柔性聚合物鏈段可構築具有光-機械響應的COF薄膜，並有望應用於人工肌肉材料；另外，可以在COF框架中引入刺激響應的化學鍵，透過外界刺激，如光、電、磁、聲、熱等來實現其拓撲結構的可逆轉變（圖 3）。
▲圖1. 影響光學COF效能的關鍵結構因素及其光學應用。（A）小分子在溶液中是無序的狀態，無法對其取向和排列進行調控，將這些小分子透過共價連線構築成晶態COF材料後能夠實現對其連線、取向和排列等結構因素的調控從而實現其優異的光學效能。（B）基於COF的光吸收和光發射性質的各種光學應用。
▲圖2. 將AIE（A, B, C, D 和E）或ACQ構築單元（F, G, H, I 和 J）引入到COF框架中構築具有特定光學效能的COF。基於AIE和ACQ分子的不同發光機理，我們分別探討了如何透過調控分子的連線，取向和排列來獲得優異的光學效能。
▲圖3. COF在生物醫用和智慧材料等前言領域的潛在應用。（A）無活性氧產生能力的單體可透過構築成二維COF得到具有優異活性氧產生能力的材料。（B）光異構小分子單元與柔性聚合物鏈段可構築具有光-機械響應的COF薄膜，在光照或加熱條件下實現面內的結構轉變。（C）在COF框架中引入刺激響應的化學鍵，透過光照或加熱實現其拓撲結構的可逆轉變。
文章資訊Liang Zhang, Lezhi Yi, Zhi-Jun Sun and Hexiang Deng*, Covalent Organic Frameworks for Optical Applications, aggregate 2020, 2006844.
文章連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/agt2.24
課題組連結：
鄧鶴翔教授 http://hdeng.whu.edu.cn/
課題組介紹鄧鶴翔現為武漢大學化學與分子科學學院教授，副院長，武漢大學高等研究院的創始成員之一。2007年在復旦大學取得學士學位，早期在趙東元院士課題組從事介孔材料研究。2011年在加州大學洛杉磯分校（UCLA）取得化學博士學位，導師為Omar Yaghi教授，研究方向為晶態介孔材料MOF和COF的系統性設計與合成，同年獲得國家優秀自費留學生獎學金。2012至2013年先後在加州大學洛杉磯分校、加州大學伯克利分校勞倫斯國家實驗室（LBNL）從事博士後研究工作。2013年初加入武漢大學化學與分子科學學院，任青年學科帶頭人，2020年獲得國家傑出青年基金。回國以來，設計合成了一系列具有自主智慧財產權的分子定製介孔晶態材料，併成功運用與能源的儲存和轉化，藥物的輸運及生物大分子負載，在Nature、Science、JACS等頂尖國際期刊發表多篇論文。獲得中國分子篩協會頒發的首屆“新秀獎” 。