寧波材料所在頭足類生物啟發(fā)的智能多色熒光凝膠驅(qū)動器構(gòu)建及其按需圖案顯示應(yīng)用方面取得進展
在自然界中，許多生物體根據(jù)生存需要逐漸進化出獨特的環(huán)境適應(yīng)行為，例如海洋中的章魚、烏賊等頭足類軟體生物可以根據(jù)環(huán)境需要來自適應(yīng)調(diào)節(jié)皮膚顏色和圖案，以達到交流、偽裝等目的。在驚訝于頭足類生物皮膚神奇能力的同時，科研工作者們也希望發(fā)展具有類似精確按需圖案顯示功能的人工合成軟材料，這類材料在傳感檢測、信息加密、柔性顯示、變色偽裝皮膚、軟體機器人等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用價值。
然而，目前人工合成的智能熒光材料主要是利用外界刺激調(diào)控特定熒光團的化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變或聚集結(jié)構(gòu)變化來呈現(xiàn)不同熒光圖案，往往受限于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和化學(xué)合成，且難以兼顧快速響應(yīng)、穩(wěn)定可逆、精確多色調(diào)控等需求，所以圖案顯示能力遠落后于真實的頭足類生物皮膚。對比研究發(fā)現(xiàn)，造成這種差別的一個重要原因是生物體采用了完全不同的顏色顯示策略，例如，頭足類生物感知外部環(huán)境變化后，會立刻通過神經(jīng)沖動控制皮膚肌肉細胞收縮/舒張，引起特定色素細胞的伸展/收縮，從而同步地呈現(xiàn)出豐富的色彩和圖案（圖1左）。這也促使科研團隊思考，人工變色體系是否可以整合這種機械調(diào)控?zé)晒鈭F分布的機制，以及如何開發(fā)出更為先進的智能熒光顯示材料和系統(tǒng)。
針對這一問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子團隊基于前期在智能熒光高分子凝膠的仿生構(gòu)筑及其功能調(diào)控方面的大量研究基礎(chǔ)（Adv. Funct. Mater., 2021, In Press; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 21890; ACS Nano, 2021, 6, 10415; Cell Rep. Phys. Sci. 2021, 2, 100417; Aggregate, 2021, 1, e37; Adv. Intell. Syst. 2021, 2000239; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568等），創(chuàng)新性提出了一種“光控多色熒光凝膠驅(qū)動”調(diào)制的智能圖案顯示系統(tǒng)，如圖1右所示，這一系統(tǒng)的核心是由二維碳納米管（CNTs）薄膜、聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜和多色熒光高分子凝膠通過層層復(fù)合得到的非對稱近紅外光響應(yīng)熒光驅(qū)動器。具有光熱效應(yīng)的CNTs層作為信號“處理器”，可將輸入的近紅外光刺激有效地轉(zhuǎn)換為熱量，并傳遞給相鄰的PDMS層。由于PDMS層發(fā)生熱膨脹，整個驅(qū)動器將自發(fā)地向熒光凝膠層彎曲，與定制圖案顯示面板匹配后即可在器件頂部同步表現(xiàn)出動態(tài)可逆的多色熒光圖案變化。通過遠程調(diào)節(jié)近紅外光功率，同一器件還可以在相同時間內(nèi)獲得多種不同的熒光圖案或信息（圖2）?；谄渚_的遠程時空調(diào)控能力和“單輸入、多輸出”的獨特優(yōu)勢以及對熒光材料的普適性，這類智能熒光顯示系統(tǒng)有望在智能變色畫、信息加密、動態(tài)偽裝等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，并為多功能仿生變色材料的設(shè)計提供新思路。
該工作近期以題為“Cephalopod-inspired design of photo-mechanically modulated display systems for on-demand fluorescent patterning”的論文發(fā)表在Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202107452，并被選為Editor's Choice article。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（21774138、52073297、51773215）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、國家重點研發(fā)計劃（2019YFC1606603）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會（2019297）、中德合作國際交流項目（M-0424）和王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項目的支持。
圖1 頭足類動物變色機理（左）和“光-機械運動”調(diào)制熒光系統(tǒng)設(shè)計示意圖（右）
圖2 動態(tài)多色熒光圖案/信息的按需顯示
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