寧波材料所在結(jié)構(gòu)編輯熒光水凝膠驅(qū)動(dòng)器用于環(huán)境交互信息加密方面取得進(jìn)展
自然界中的許多生物進(jìn)化出了能夠編輯自身結(jié)構(gòu)的卓越能力，以便在其生命周期內(nèi)更有效地適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境。例如海洋中的章魚在出生后，手臂上會(huì)生長許多發(fā)光的吸盤，用來傳遞不同的生物信息，如驚嚇捕食者或作為生物發(fā)光誘餌在黑暗的海洋中吸引獵物。長期以來，科學(xué)家嘗試通過設(shè)計(jì)智能人工材料（尤其是類生物組織的軟、濕高分子水凝膠驅(qū)動(dòng)器）來復(fù)制這種自然結(jié)構(gòu)編輯能力。這將極大豐富水凝膠驅(qū)動(dòng)器的環(huán)境交互功能。然而在人工水凝膠體系中實(shí)現(xiàn)像真實(shí)生物一樣在不同生長發(fā)育階段具有不同的生物結(jié)構(gòu)并展現(xiàn)不同的功能還是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。
近年來，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)陳濤研究員與路偉研究員一直致力于熒光高分子水凝膠的仿生構(gòu)建及其在信息存儲(chǔ)與加密、偽裝與人機(jī)交互等方面的應(yīng)用研究。近日，該團(tuán)隊(duì)與寧波大學(xué)王文欽副教授合作，在Angew. Chem. Int. Ed.（題為“Bio-inspired Structure-editing Fluorescent Hydrogel Actuators for Environment-interactive Information Encryption”，2023，DOI: 10.1002/anie.202300417）上報(bào)道了一種用于環(huán)境交互信息加密的結(jié)構(gòu)編輯熒光水凝膠驅(qū)動(dòng)器（圖1）。研究人員以熱引發(fā)劑和光引發(fā)劑作為生長因子的類似物從基礎(chǔ)水凝膠中擴(kuò)散出來引發(fā)聚合生長出新的結(jié)構(gòu)（圖2），建立了一種通用的仿生由內(nèi)向外生長策略，并構(gòu)建了類生物結(jié)構(gòu)編輯能力的熒光水凝膠驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，通過編輯不同驅(qū)動(dòng)單元的生長排列位置可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性的3D折紙類形狀變化，這種可編輯性使得通過預(yù)先設(shè)計(jì)的生長排列來預(yù)測形狀變化成為可能（圖3）。通過在結(jié)構(gòu)編輯水凝膠上以碳點(diǎn)為墨水書寫特定的信息，利用不同環(huán)境鑰匙（如溫度、pH等）得到的差異化驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，可用于可視化信息的傳遞（圖4）。
該研究利用仿生逐步由內(nèi)向外生長技術(shù)賦予了已加工完成的水凝膠結(jié)構(gòu)編輯特性，首次展示了一種利用可編程的多種驅(qū)動(dòng)狀態(tài)來傳達(dá)不同信息的環(huán)境交互信息顯示系統(tǒng)，有望在很大程度上豐富水凝膠驅(qū)動(dòng)器的環(huán)境交互功能，為下一代智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展鋪平道路。
以上工作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）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019297）和王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的資助。
圖1 用于環(huán)境交互信息加密的結(jié)構(gòu)編輯熒光水凝膠示意圖
圖2 新水凝膠結(jié)構(gòu)的可控編輯生長
圖3 對(duì)初始水凝膠結(jié)構(gòu)編輯以產(chǎn)生可編程的折紙類3D形狀變形的水凝膠驅(qū)動(dòng)器
圖4 用于環(huán)境交互信息加密的結(jié)構(gòu)編輯水凝膠驅(qū)動(dòng)器
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