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可以发光的“变形金刚”,了解一下

更新时间:2019-10-03 12:29

  生活中,我们喜于食用口感优异的果冻、龟苓膏等零嘴,倾向于佩戴更为便捷的隐形眼镜,使用效果更加明显的凝胶敷料。其实,这些吃的、用的材料都是由水凝胶构成的。

图1 生活中常见的水凝胶制品:A 果冻,B 龟苓膏,C 隐形眼镜,D 水凝胶敷料。(图片来自网络)

  什么是水凝胶?

  顾名思义,水凝胶是由水和凝胶骨架构成的。凝胶骨架是一类具有亲水性基团,能被水溶胀但不溶于水的聚合物三维网络。凝胶可根据网络中填充物质的差异分为不同的种类:若填充的是水则为水凝胶,是有机溶剂则为有机凝胶,是空气则为气凝胶。常见的亲水性凝胶骨架主要包括:聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)等。

  刺激下的变形、变色

  水凝胶的骨架具有优异的可修饰性,内部三维空腔具有极大的包容性。因此,通过适当的设计,该材料能被赋予刺激响应性能,即在外界刺激下(温度、光、pH等)产生形状变换或颜色改变。

  智能荧光水凝胶如何色变?

  智能荧光水凝胶指的是一类发光颜色或者强度会随外界刺激发生显著变化的高分子软材料。它的变色主要是基于体系中引入的荧光发色基团的变色机理。

  基于硫脲基团在Hg2+刺激下能从绿光转变为蓝光,科研人员以滤纸为基底设计了一种具有Hg2+响应性的荧光高分子水凝胶复合材料(如图2所示)。

  在滤纸的毛细作用和水凝胶超亲水性的协同作用下,这类材料可以实现水溶液或者食品中Hg2+的快速、高灵敏度的检测。

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图2 基于荧光高分子水凝胶的Hg2+传感器。(图片来源:Adv. Mater. Technol. 2018, 1800201)

  随后,科研人员利用离子印染技术,开发了一种具有各向异性结构的荧光高分子水凝胶(如图3所示)。其中,滤纸中的铁离子能通过扩散作用进入荧光凝胶体系,在导致芘基团荧光淬灭的同时,赋予水凝胶能产生驱动作用力的各向异性结构。这类材料在二维平面信息、三维形状信息及多维度信息方面具有潜在的应用价值。

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图3 基于离子印染技术的多维度信息存储装置。(图片来源:Sci. China Mater. 2019, 62, 831)

  基于萘酰亚胺荧光基团的pH响应性,科研人员还构建了一种刺激响应性的高分子水凝胶复合材料(如图4所示)。该材料不仅可以用于水环境pH的检测,还可以通过离子印染的方法,实现了水凝胶表面荧光强度的时空调控。

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图4 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)

  能变色、会形变的智能荧光水凝胶

  如果把其他的功能(如形状记忆功能、自修复功能、驱动功能等)引入荧光水凝胶体系,通过功能的协同,就可以构筑能变色、会形变的多功能智能水凝胶。

  科研人员通过超分子胶水对驱动层和色变层进行宏观模块组装,利用温度和酸碱度的分别刺激,实现了形变和色变的协同(如图5所示);进一步,采用离子印染技术和折纸技术,基于动态硼酸酯键赋予的自修复和形状记忆功能,得到了三维的信息加密-解密水凝胶。

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图5 基于模块组装的荧光水凝胶驱动器。(图片来源:Adv. Funct. Mater. 2018, 1704568)

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图6 形状记忆、自修复功能协同荧光高分子水凝胶。(图片来源:Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201905514)

  通过高分子水凝胶的组成结构设计,协同荧光性能与其他性能(如自修复、形状记忆、智能驱动等),这类智能荧光高分子水凝胶材料在仿生驱动、传感检测、信息存储加密等方面具有很大的潜在应用价值。

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