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  智能多色熒光高分子水凝膠是一類發(fā)光顏色可調(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特結(jié)構(gòu)特點，使得其往往可兼具經(jīng)典熒光高分子水溶液和固態(tài)本體材料兩者共同的性能優(yōu)勢，在傳感檢測、信息防偽、仿生驅(qū)動、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域擁有巨大應(yīng)用前景，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。

  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課題組陳濤研究員與路偉研究員一直致力于智能熒光高分子水凝膠的構(gòu)建及其仿生驅(qū)動、傳感檢測等應(yīng)用研究，先后發(fā)展了一系列具有智能可調(diào)熒光顏色/強(qiáng)度的高分子水凝膠新材料（Aggregate, 2021, 1, e37; Adv. Intell. Syst. 2021, 2000239; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; ACS Macro Lett. 2019, 8, 937; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568; ACS Sensors, 2018, 3, 2394; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 23884）。然而，與自然界中能夠呈現(xiàn)豐富多彩皮膚顏色變化的變色龍等生物相比，科研團(tuán)隊制備的多色熒光高分子水凝膠在外界刺激下的發(fā)光顏色變化范圍仍較窄，尤其是仍難以利用單一水凝膠實現(xiàn)刺激響應(yīng)的紅色、綠色和藍(lán)色熒光相互轉(zhuǎn)變。

變色龍皮膚啟發(fā)的仿生核殼結(jié)構(gòu)熒光高分子水凝膠的結(jié)構(gòu)及其智能多色熒光調(diào)控示意圖

  經(jīng)過細(xì)致的對比研究發(fā)現(xiàn)，真實的變色龍皮膚和已報道的多色熒光高分子水凝膠具有不同的結(jié)構(gòu)，例如，人工合成的多色熒光水凝膠多是將兩種或多種熒光團(tuán)同時引入單一的各向同性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中制備的，而近期的一個生物學(xué)研究（M. C. Milinkovitch, et al. Nat. Commun. 2015, 6, 6368）表明，豹紋變色龍的皮膚中含有兩層致密排列的虹色細(xì)胞（類似于核殼結(jié)構(gòu)，如圖1b所示），這種細(xì)胞不僅含有色素，還含有很多光子晶體，變色龍就是通過肌肉運動來控制不同細(xì)胞層中的晶體排列結(jié)構(gòu)來呈現(xiàn)豐富多彩的結(jié)構(gòu)色變化。這一材料結(jié)構(gòu)的顯著差異促使科研團(tuán)隊思考：是否可以在高分子水凝膠中構(gòu)建類似的多層核殼結(jié)構(gòu)，使得不同響應(yīng)性的熒光團(tuán)分別分布在不同水凝膠層中，從而可以像變色龍皮膚一樣呈現(xiàn)智能響應(yīng)的紅、綠、藍(lán)、紫等多種發(fā)光顏色相互轉(zhuǎn)變？

  為了驗證這一設(shè)想，科研團(tuán)隊提出了一種離子擴(kuò)散誘導(dǎo)界面聚合的材料構(gòu)筑方法，成功地將紅色稀土銪配合物（R）、聚集誘導(dǎo)發(fā)光型（AIE）藍(lán)色萘酰亞胺（B）和pH響應(yīng)性綠色苝四甲酸（G）等三種熒光團(tuán)分別引入核殼結(jié)構(gòu)高分子水凝膠的核層、第一殼層和第二殼層，其中AIE型萘酰亞胺因被共價接枝到溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）高分子鏈上而具有溫致藍(lán)色熒光顯著增強(qiáng)性質(zhì)。得益于這一獨特的仿生多層核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，三色熒光團(tuán)的空間距離較遠(yuǎn)而不會發(fā)生復(fù)雜的光物理相互作用（如能量轉(zhuǎn)移、復(fù)合物/締合物發(fā)光等），水凝膠第一殼層和第二殼層的藍(lán)色和綠色熒光強(qiáng)度可以分別利用溫度和pH刺激進(jìn)行獨立且連續(xù)的調(diào)控，從而成功實現(xiàn)智能響應(yīng)的紅、綠、藍(lán)、紫等多種發(fā)光顏色相互轉(zhuǎn)變。這一研究工作初步證明了利用仿生多層核殼結(jié)構(gòu)來制備智能多色熒光高分子水凝膠的可行性，有望在海鮮新鮮度檢測、信息防偽加密、柔性變色皮膚等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。該工作近期以“A panther chameleon skin-inspired core@shell supramolecular hydrogel with spatially organized multi-luminogens enables programmable color change”為題發(fā)表在Cell Press旗下的Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100417上。該工作發(fā)表后得到多個科學(xué)媒體的報道，如The Academic Times (點擊原文鏈接查看報道信息) 等。

  這項工作得到了國家自然科學(xué)基金（21774138、51773215）、中科院青促會（2019297）、中德合作國際交流項目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）和廣東省分子聚集發(fā)光重點實驗室開放基金（2019B030301003）等項目的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100417

  下載：A panther chameleon skin-inspired core@shell supramolecular hydrogel with spatially organized multi-luminogens enables programmable color change