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寧波材料所在多色熒光高分子水凝膠構筑仿生皮膚方面取得新進展
作者:,日期:2021-11-22

  在自然界中,許多生物體根據生存需要逐漸進化出獨特的環境適應行為,例如變色龍、樹蛙、章魚等變色生物可以根據環境需要來自適應改變皮膚顏色和圖案,以達到交流、偽裝等目的。受此啟發,科研工作者們希望通過設計智能人工材料(特別是類生物組織的軟、濕態高分子水凝膠材料)來復制生物體的環境刺激響應變色行為。這種仿生智能變色水凝膠新材料的發展不僅有利于理解自然界的生物變色現象,還有望在傳感檢測、柔性顯示、變色偽裝皮膚、軟體機器人等領域發揮重大應用價值。

  與源于對外界光的吸收、反射或散射而產生的色素色或結構色不同,熒光色是一種發光色,色飽和度高,特別適用于夜晚、森林、海洋、河流等照明不足的環境,因此被認為是色素色和結構色的良好補充。然而,與能夠在不同外界刺激環境中呈現豐富多彩皮膚顏色變化的變色龍等生物相比,科研團隊制備的多色熒光高分子水凝膠在外界刺激下的發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多重刺激響應的寬范圍熒光顏色變化。

  針對這一難題,中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊基于前期大量基礎研究,提出了精確控制不同熒光團空間分布結構以實現高分子水凝膠熒光顏色有效調控的新策略。最近,研究人員和中科院過程工程研究所周蕾研究員團隊合作,發展高分子水凝膠的分子結構設計,將聚集誘導發光的取代萘酰亞胺型藍色熒光團和稀土配位型紅、綠色熒光團分別引入同一水凝膠體系的不同高分子交聯網絡中(圖1)。得益于這一創新材料結構設計,萘酰亞胺型藍色熒光團和稀土配位型紅、綠色熒光團的發光強度可以分別利用不同外界刺激進行獨立且連續的調控,從而實現多重刺激(溫度、pH、溶劑、離子、光等)響應的紅、綠、黃、藍、紫多色熒光變化。這一研究工作顯著拓寬了高分子水凝膠的熒光變色范圍,有望應用于智能變色偽裝皮膚、仿生智能軟體機器人等重要領域。

  該工作近期以“Supramolecular Hydrogel with Orthogonally Responsive R/G/B Fluorophores Enables Multi-color Switchable Biomimetic Soft Skins”為題發表在Adv. Funct. Mater. 2021, 2108830(https://doi.org/10.1002/adfm.202108830)上。本研究得到了國家自然科學基金(21774138、52073297、51773215)、中科院前沿科學重點研究項目(QYZDB-SSW-SLH036)、國家重點研發計劃(2019YFC1606603)、中科院青年創新促進會(2019297)和王寬誠教育基金(GJTD-2019-13)等項目的支持。

高分子水凝膠的結構設計示意圖和多重刺激響應熒光變色圖

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