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甯波材料所在Accounts of Chemical Research上發(fā)表論文: 師法自然,實現智能(néng)熒光高分子水凝膠的多色和多功能(néng)化

作者:本站  /  2022-08-05

       智能(néng)熒光高分子水凝膠是一類發(fā)光性能(néng)可調的高分子軟材料,其三維交聯網絡中包含大量水分子的獨特結構特點,使其可兼具經(jīng)典熒光材料和高分子水凝膠的共同性能(néng)優勢及兩(liǎng)種(zhǒng)材料集成(chéng)後(hòu)可能(néng)衍生出的新性能(néng),在傳感檢測、信息防僞、仿生驅動、軟體機器人等應用領域得到廣泛關注,是先進(jìn)發(fā)光高分子材料領域的重要發(fā)展方向(xiàng)之一。目前,智能(néng)熒光高分子水凝膠多是通過(guò)兩(liǎng)種(zhǒng)或多種(zhǒng)熒光團的物理共混或無規共聚合等方法來制備,存在變色範圍窄、功能(néng)單一等問題。

  反觀自然界,變色龍、章魚等生物體可根據環境需要呈現多彩皮膚顔色變化,生物學(xué)研究表明,優異變色性能(néng)主要來源于其皮下組織中不同色素細胞基元結構及其有序排列的多級層狀結構。此外,變色龍還(hái)可利用皮膚變色和身體變形等的多功能(néng)協同來執行僞裝、交流等複雜任務。這(zhè)些生物體變色現象及其多功能(néng)協同行爲可爲智能(néng)多色及多功能(néng)熒光高分子水凝膠的構築提供諸多借鑒。

  中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所智能(néng)高分子材料團隊陳濤研究員和路偉研究員長(cháng)期從事(shì)熒光高分子水凝膠的仿生構築和功能(néng)調控研究,近日受邀在Accounts of Chemical Research, 2022, 55, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00320上發(fā)表題爲“Mimicking Color-Changing Organisms to Enable the Multicolors and Multifunctions of Smart Fluorescent Polymeric Hydrogels”的文章,系統回顧了團隊通過(guò)模仿變色龍、章魚等生物變色皮膚的結構和機理,在寬範圍熒光變色高分子水凝膠仿生構築、多功能(néng)協同行爲拓展及傳感檢測、智能(néng)顯示等應用探索方面(miàn)取得的系列研究進(jìn)展,并展望了其未來發(fā)展方向(xiàng)。

  針對(duì)高分子水凝膠熒光變色範圍窄的難題,團隊借鑒變色龍的皮下組織中不同色素細胞基元結構及其有序排列的多級層狀結構,建立仿生多層結構設計的材料構築新方法,首先通過(guò)半互穿網絡結構設計,將(jiāng)紅、藍兩(liǎng)種(zhǒng)熒光團分别化學(xué)共聚入不同高分子網絡中(圖1),增大兩(liǎng)種(zhǒng)熒光團間距離,因而可利用氫氧化鈉刺激實現紅色熒光團發(fā)光強度的連續改變而不顯著影響藍色熒光團發(fā)光強度,從而實現水凝膠熒光顔色在藍、紅二色間的寬範圍連續調控。進(jìn)一步構築仿生核殼結構高分子水凝膠(圖2),使三原色熒光團空間分布在不同核或殼層中,大大增加各熒光團間距離,因而可利用外界刺激實現各熒光團發(fā)光強度的連續改變,從而顯著拓寬高分子水凝膠的熒光變色範圍至全光譜。

  針對(duì)高分子水凝膠功能(néng)單一的問題,團隊借鑒變色龍等生物體經(jīng)過(guò)億萬年生物進(jìn)化成(chéng)的多功能(néng)協同行爲,提出仿生變形/變色多功能(néng)協同的新機制,將(jiāng)具有環境感知功能(néng)的熒光變色水凝膠與纖維素紙、彈性體等進(jìn)行宏觀多層界面(miàn)複合,構築了一系列具有仿生熒光變色、三維變形或定向(xiàng)運動等多功能(néng)協同的仿生智能(néng)高分子水凝膠驅動器及軟機器人(圖3),豐富了熒光高分子水凝膠的功能(néng)性。

  在智能(néng)多色和多功能(néng)熒光高分子水凝膠構築基礎上,針對(duì)具體應用需求,針對(duì)性設計界面(miàn)複合各材料,充分利用功能(néng)協同效應,推動了其在智能(néng)顯示、傳感檢測等前沿領域應用。例如,團隊模仿章魚等頭足類生物的“生物電→肌肉運動誘導色素細胞形變→皮膚圖案變化”的獨特串聯響應皮膚圖案顯示策略,發(fā)展了如圖4所示的“近紅外光→熒光凝膠驅動器形變→多色圖案變化”的光控機械驅動調制的熒光圖案顯示全新思路,實現了快速可逆、精确多色調控的熒光圖案顯示需求。在傳感監測方面(miàn),團隊較早提出“可穿戴式食品安全快檢傳感器”的新設想,構築Hg2+、甲醛檢測凝膠,并集成(chéng)到可穿戴式食品安全快檢手套上,實現了可疑Hg2+、甲醛污染食品的接觸式初篩,省去了傳統食品安全快檢的複雜前處理過(guò)程。

  該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52073297)、中德合作國(guó)際交流項目(M-0424)、浙江省自然科學(xué)基金(LD22E050008)、中國(guó)科學(xué)院青年創新促進(jìn)會(2019297)和王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。

圖1 仿變色龍皮膚中不同色素細胞基元結構的寬範圍熒光變色高分子水凝膠
圖2 仿生多層結構熒光高分子水凝膠及其寬範圍熒光變色性能(néng)
圖3 多材料非對(duì)稱界面(miàn)複合構築的仿生熒光變色、三維變形或定向(xiàng)運動等多功能(néng)協同仿生智能(néng)高分子水凝膠驅動器及軟機器人
圖4 仿頭足類生物變色機理構築的仿生智能(néng)熒光圖案顯示系統示意圖及其智能(néng)變色畫應用展示
  (智能(néng)高分子材料團隊)