在激光防護材料中，防護效果不受波長局限的基于非線性光學原理發展起來的激光防護材料逐漸取代了基于線性理論的傳統防護材料。非線性光限幅材料以大π共軛體系有機物為研究主體，如碳基材料、卟啉、酞菁等。團簇聚集多種組分，具有精確的結構信息，可以在分子水平實現光限幅性能的調控，因此受到廣泛關注。 
　　近日，中國科學院福建物質結構研究所張健課題組研究員方偉慧，在國家自然科學基金委“團簇構造、功能及多級演化”重大研究計劃、中科院創新促進會優秀會員、福建省杰出青年等項目資助下，以鋁氧輪簇晶態材料為研究對象，系統研究了不同尺寸輪簇在532 nm 皮秒（4 μJ）激光場下的光限幅性能。
　　鋁氧輪簇對可見光具有較高的透過率，而氨基的引入將提高晶態材料的親水性，便于溶解制備成單分散樣品研究光限幅性能。因此，鋁氧簇研究小組以對氨基苯甲酸為螯合配體，誘導聚集并通過溶劑調控合成了一系列鋁氧輪簇晶態材料（Al8-Al18, 1.7 nm-3.3 nm）。與此前的鋁氧輪簇工作相比，該工作在結構上具有三個顯著特征。首先，鋁氧輪簇的尺寸得到了突破：通過增加分子內氫鍵（-NH2：2×9）或者螯合位點（-OH: 3×6）促進輪簇的扭曲，從而成功地將鋁氧輪簇擴大到了“S”形的18元環（Al18, 3.0-3.3 nm）。其次，研究揭示了輪簇尺寸不僅與調控結構的溶劑有關，而且也與誘導配體有關。在此前以苯甲酸為誘導配體的研究中，研究人員闡明了輪簇尺寸隨著伯醇碳鏈的長度得到拓展，而在該工作中，當誘導配體為對氨基苯甲酸時，小位阻的甲醇有利于增加輪簇扭曲程度，進而形成大尺寸輪簇。第三個特點是可以在同一個鋁氧輪簇上修飾親水和疏水基團，通過微觀結構調控輪簇的表面浸潤性。
　　隨著激光技術的不斷發展，激光器與物質相互作用研究的不斷深入，皮秒激光器已廣泛應用于生物分析成像和光學測量等領域。與納秒激光相比，皮秒激光具有響應速度快、脈寬短、重復頻率高、脈沖能量高等特點，因此對激光的防護提出了更高的要求。研究人員利用典型的開孔Z-掃描系統，測試了系列鋁氧輪簇在532 nm 皮秒（4 μJ）激光場下的光限幅行為。結果顯示，其防護機理為雙光子非線性吸收。在相同的透過率下，聚集更多芳香配體的Al18輪具有較好的光限幅效應。此外，在輪簇中引入氟元素后，由于其分子內部豐富的氫鍵及氟元素較強的電負性，展現出了更好的光限幅效應。
　　該工作為輪簇結構尺寸拓展、理解三階非線性光學構效關系提供了借鑒。相關成果發表于《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, DOI: 10.1002/anie.202116563）。
　　系列鋁氧輪簇及其在皮秒（4 μJ）激光場下的開孔Z-掃描曲線示意圖