首頁 > 新聞中心 > 科研進展
甯波材料所在智能熒光高分子水凝膠的材料構建及其功能協同方面取得新進展
作者:,日期:2019-08-28

  智能熒光高分子水凝膠是一類具有可調發光性能的高分子軟材料,由于其三維聚合物交聯網絡中包含大量的水分子,在合適的外界刺激作用下,易與周圍的水溶液發生物質交換,誘導水凝膠的溶脹或去溶脹,同時伴隨著發光顔色或強度的顯著變化,因而在仿生驅動、傳感檢測、信息存儲加密等方面有著很大的應用潛力。如何通過高分子水凝膠的組成結構設計,來實現熒光性能與其他性能(如自修複、形狀記憶、智能驅動等)的功能協同以滿足特定的應用需求,成爲需要格外關注的關鍵問題。

  近年来,中國科學院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组陈涛研究员、路伟副研究员在智能荧光高分子水凝胶的分子设计与材料构建方面开展了大量的基础研究工作(Sci. China Mater.2019, 62, 831;ACS Sensors 2018, 3, 2394; J. Phys. Chem. C2018, 122, 9499;Macromol. Rapid Commun.,2018, 39, 1800648; Macromol. Rapid Commun.2018, 39, 1800130; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 23884),並探索了其在傳感檢測和仿生驅動方面的應用。例如,通過以濾紙爲基底構建了一種Hg2+響應性的熒光高分子水凝膠複合材料,其可以協同濾紙的毛細作用和水凝膠的超親水特性,實現水溶液和食品中Hg2+的快速和高靈敏性檢測(Adv. Mater. Technol. 2018, 1800201,Highlighted on Advanced Science News,如圖1);通過構建一種基于萘酰亞胺熒光團的pH響應性高分子水凝膠,其不僅可用于水環境pH值的檢測,還可以利用離子印染的方法來實現水凝膠表面熒光強度的時空調控(ACS Macro Lett. 2019, 8, 937,如圖2);利用不同響應性的(熒光)高分子水凝膠功能模塊的超分子宏觀組裝,開發了一種具有3D複雜驅動-智能變色雙功能協同的仿生高分子水凝膠驅動器(Adv. Funct. Mater. 2018, 1704568,如圖3)。

  近日,該團隊在Advanced Functional Materials上报道了一篇基于荧光高分子水凝胶的智能荧光响应、形状记忆和自修复等多功能协同以实现三维信息存储加密应用的新工作,题为“Three-Dimensional Fluorescent Hydrogel Origami for Multistage Data Security Protection”(DOI: 10.1002/adfm.201905514)。该工作利用苝四甲酸功能化明胶和聚乙烯醇水溶液的多次冷冻解冻循环获得高强度荧光高分子水凝胶,其表现出典型的Fe3+誘導熒光猝滅現象,用Fe3+溶液爲“墨水”就可以在其上負載文字、圖案等信息。此外,由于聚乙烯醇在硼砂溶液中易于形成高密度的動態硼酸酯鍵,該水凝膠也表現出優異的形狀記憶和自修複性能。通過與中國傳統的折紙技術相結合,該團隊協同利用形狀記憶和自修複性能,成功將負載了信息的2D水凝膠片“搭建”成形狀各異的3D水凝膠信息載體,實現了基于熒光高分子水凝膠的三維信息存儲和加密(如圖4、圖5)。

  以上工作得到了国家自然科学基金(21774138,51773215)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、中國科學院青年创新促进会(2019297,2017337)等项目的资助。

图1 基于荧光高分子水凝胶的Hg2+傳感器(Adv. Mater. Technol. 2018, 1800201

图2 荧光高分子水凝胶表面发光颜色的时空调控(ACS Macro Lett. 2019, 8, 937

图3 仿生双层高分子水凝胶驱动器的智能协同变形-变色行为(Adv. Funct. Mater. 2018, 1704568

图4 (a-c)基于荧光高分子水凝胶的三维信息存储和加密过程示意图(Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905514

图5 (a-c)将分别负载“UCAS”、 “Q1A2Z3”、“Attitude is everything” 等信息的2D荧光水凝胶片手动折叠成各种三维形状后置于硼砂水溶液中,10s至3min后就可以得到形状各异的3D水凝胶信息载体。相较于经典的二维信息加密策略,这种加密于三维空间的信息的安全性更高,因为其负载信息只有在先置于酸溶液中恢复2D形状后才能在紫外灯下观察到(Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905514

  (高分子事业部 路伟)