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香港科技大学唐本忠院士团队《AM》:可同时改变发光颜色、强度和形状的AIE之花
2020-02-10  来源:高分子科技

  在自然界中,许多生物可以同时改变其颜色和形状。例如,为了让授粉昆虫能够更容易地辨认花期,俗称“昨天-今天-明天”的双色茉莉,在花朵绽开的过程中,花的颜色经历紫色-淡紫色-白色的变化;在动物界,当伞蜥蜴受到惊吓时,其颈部四周的伞状皮膜打开,同时皮膜颜色从褐色变为亮黄色。尽管科学家们一直致力于仿生人工智能材料的开发,但是,构建在单一外界刺激下能够同时改变发光颜色、强度和形状的材料仍具挑战。而实现这种材料的关键在于发光颜色、强度和形状的改变要基于同一元素。

  近日,香港科技大学唐本忠院士团队选用刺激响应性聚集诱导发光荧光体(Aggregation-Induced Emission Luminogens,AIEgens)作为上述元素,结合双层水凝胶大发排列3,设计并开发了可以同时改变荧光颜色、强度和形状的仿生水凝胶驱动器。团队研究人员将pH响应AIEgen四吡啶四苯乙烯(TPE-4Py)聚集体不对称地包埋在交联聚(对苯乙烯磺酸钠-r-丙烯酰胺)(PAS)水凝胶中,得到了发光双层水凝胶(图1a)。在中性环境中,TPE-4Py聚集体由于疏水聚集诱导发光现象,使水凝胶呈现亮青色;当环境pH降低到酸性时,TPE-4Py质子化,分子内电荷转移(ICT)过程导致其发光红移,水凝胶荧光颜色逐渐变为黄色,离子化后的TPE-4Py-4H4+与离聚物PAS产生静电相互作用(图1b),PAS链通过此相互作用介导的分子内运动受限(Restriction of Intramolecular Motion,RIM)过程使AIEgen发出改变强度的光,同时,生成的TPE-4Py-4H4+作为新的物理交联点,增加了其所在层的交联密度,使得各向异性水凝胶发生形状改变。

图1. (a) 基于TPE-4Py/PAS的双层水凝胶驱动器在pH刺激下同时改变荧光颜色、强度和形状的示意图;(b) 当驱动器所处环境酸化时,在活性层聚集体中的TPE-4Py质子化并于PAS链形成静电相互作用。

  团队研究人员用上述策略和材料制备了形状复杂的仿生花驱动器,将其浸泡在酸性水溶液中后,其发光颜色、强度和形状可以同时改变,在“花”绽放过程中,其颜色和发光强度同时发生了改变(图2)。

图2. 具有复杂形状的基于TPE-4Py/PAS的双层水凝胶驱动器在pH刺激下可以同时改变其发光颜色、强度和形状。(照片拍摄于365 nm紫外光照射下。上行为侧视视角,下行为俯视视角。

  研究人员指出此双层水凝胶驱动器在3D/4D打印、软体机器人和智能可穿戴设备领域有着潜在应用,并且他们证明了其在4D打印邻域的应用。他们与香港城市大学吕坚院士团队合作,利用TPE-4Py/PAS材料作为墨水,实现了材料的3D打印,进一步将打印出的三臂水凝胶驱动器浸入酸性水溶液中,驱动器同样可以实现荧光颜色、强度和形状的改变。4D打印实验得到了吕坚院士团队刘朋超博士的大力帮助。

图3. 同时荧光颜色-荧光强度-形状响应的4D打印——基于TPE-4Py/PAS双层水凝胶驱动器的应用。(a) – (c) 三臂双层水凝胶驱动器的3D打印过程;(d) 条形、三臂和四臂形状水凝胶驱动器在日光和365 nm紫外光下的照片;(e) 三臂驱动器在pH刺激下的4D同时发光和形状改变。

  结合AIEgens和双层水凝胶大发排列3构建智能发光驱动器的策略为设计制备人工智能体系提供了新思路,为智能材料的构建提供了新材料。

  这一成果近期以“Bioinspired Simultaneous Changes in Fluorescence Color, Brightness, and Shape of Hydrogels Enabled by AIEgens”为名发表于《Advanced Materials》上。文章的第一作者为香港科技大学博士后黎朝博士,通讯作者为香港科技大学林荣业教授唐本忠院士

  论文信息:

  Zhao Li, Pengchao Liu, Xiaofan Ji, Junyi Gong, Yubing Hu, Wenjie Wu, Xinnan Wang, Hui-Qing Peng, Ryan T. K. Kwok, Jacky W. Y. Lam,* Jian Lu, and Ben Zhong Tang*; Bioinspired Simultaneous Changes in Fluorescence Color, Brightness, and Shape of Hydrogels Enabled by AIEgens; Adv. Mater. 2020, 1906493. DOI: 10.1002/adma.201906493.

  全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201906493

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