寧波材料所在Accounts of Chemical Research上發(fā)表論文: 師法自然，實(shí)現(xiàn)智能熒光高分子水凝膠的多色和多功能化
智能熒光高分子水凝膠是一類發(fā)光性能可調(diào)的高分子軟材料，其三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中包含大量水分子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其可兼具經(jīng)典熒光材料和高分子水凝膠的共同性能優(yōu)勢及兩種材料集成后可能衍生出的新性能，在傳感檢測、信息防偽、仿生驅(qū)動、軟體機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，是先進(jìn)發(fā)光高分子材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。目前，智能熒光高分子水凝膠多是通過兩種或多種熒光團(tuán)的物理共混或無規(guī)共聚合等方法來制備，存在變色范圍窄、功能單一等問題。
反觀自然界，變色龍、章魚等生物體可根據(jù)環(huán)境需要呈現(xiàn)多彩皮膚顏色變化，生物學(xué)研究表明，優(yōu)異變色性能主要來源于其皮下組織中不同色素細(xì)胞基元結(jié)構(gòu)及其有序排列的多級層狀結(jié)構(gòu)。此外，變色龍還可利用皮膚變色和身體變形等的多功能協(xié)同來執(zhí)行偽裝、交流等復(fù)雜任務(wù)。這些生物體變色現(xiàn)象及其多功能協(xié)同行為可為智能多色及多功能熒光高分子水凝膠的構(gòu)筑提供諸多借鑒。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和路偉研究員長期從事熒光高分子水凝膠的仿生構(gòu)筑和功能調(diào)控研究，近日受邀在Accounts of Chemical Research, 2022, 55, DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00320上發(fā)表題為“Mimicking Color-Changing Organisms to Enable the Multicolors and Multifunctions of Smart Fluorescent Polymeric Hydrogels”的文章，系統(tǒng)回顧了團(tuán)隊(duì)通過模仿變色龍、章魚等生物變色皮膚的結(jié)構(gòu)和機(jī)理，在寬范圍熒光變色高分子水凝膠仿生構(gòu)筑、多功能協(xié)同行為拓展及傳感檢測、智能顯示等應(yīng)用探索方面取得的系列研究進(jìn)展，并展望了其未來發(fā)展方向。
針對高分子水凝膠熒光變色范圍窄的難題，團(tuán)隊(duì)借鑒變色龍的皮下組織中不同色素細(xì)胞基元結(jié)構(gòu)及其有序排列的多級層狀結(jié)構(gòu)，建立仿生多層結(jié)構(gòu)設(shè)計的材料構(gòu)筑新方法，首先通過半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，將紅、藍(lán)兩種熒光團(tuán)分別化學(xué)共聚入不同高分子網(wǎng)絡(luò)中（圖1），增大兩種熒光團(tuán)間距離，因而可利用氫氧化鈉刺激實(shí)現(xiàn)紅色熒光團(tuán)發(fā)光強(qiáng)度的連續(xù)改變而不顯著影響藍(lán)色熒光團(tuán)發(fā)光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)水凝膠熒光顏色在藍(lán)、紅二色間的寬范圍連續(xù)調(diào)控。進(jìn)一步構(gòu)筑仿生核殼結(jié)構(gòu)高分子水凝膠（圖2），使三原色熒光團(tuán)空間分布在不同核或殼層中，大大增加各熒光團(tuán)間距離，因而可利用外界刺激實(shí)現(xiàn)各熒光團(tuán)發(fā)光強(qiáng)度的連續(xù)改變，從而顯著拓寬高分子水凝膠的熒光變色范圍至全光譜。
針對高分子水凝膠功能單一的問題，團(tuán)隊(duì)借鑒變色龍等生物體經(jīng)過億萬年生物進(jìn)化成的多功能協(xié)同行為，提出仿生變形/變色多功能協(xié)同的新機(jī)制，將具有環(huán)境感知功能的熒光變色水凝膠與纖維素紙、彈性體等進(jìn)行宏觀多層界面復(fù)合，構(gòu)筑了一系列具有仿生熒光變色、三維變形或定向運(yùn)動等多功能協(xié)同的仿生智能高分子水凝膠驅(qū)動器及軟機(jī)器人（圖3），豐富了熒光高分子水凝膠的功能性。
在智能多色和多功能熒光高分子水凝膠構(gòu)筑基礎(chǔ)上，針對具體應(yīng)用需求，針對性設(shè)計界面復(fù)合各材料，充分利用功能協(xié)同效應(yīng)，推動了其在智能顯示、傳感檢測等前沿領(lǐng)域應(yīng)用。例如，團(tuán)隊(duì)模仿章魚等頭足類生物的“生物電→肌肉運(yùn)動誘導(dǎo)色素細(xì)胞形變→皮膚圖案變化”的獨(dú)特串聯(lián)響應(yīng)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(qū)動器形變→多色圖案變化”的光控機(jī)械驅(qū)動調(diào)制的熒光圖案顯示全新思路，實(shí)現(xiàn)了快速可逆、精確多色調(diào)控的熒光圖案顯示需求。在傳感監(jiān)測方面，團(tuán)隊(duì)較早提出“可穿戴式食品安全快檢傳感器”的新設(shè)想，構(gòu)筑Hg2+、甲醛檢測凝膠，并集成到可穿戴式食品安全快檢手套上，實(shí)現(xiàn)了可疑Hg2+、甲醛污染食品的接觸式初篩，省去了傳統(tǒng)食品安全快檢的復(fù)雜前處理過程。
該論文得到了國家自然科學(xué)基金（52073297）、中德合作國際交流項(xiàng)目（M-0424）、浙江省自然科學(xué)基金（LD22E050008）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2019297）和王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的支持。
