科研進展
蘭州化物所紅色熒光水凝膠研究獲新進展
三維交聯(lián)的親水性聚合物網(wǎng)絡構(gòu)成的熒光水凝膠（FPHs）材料在發(fā)光傳感、檢測以及信息加密等方面具有獨特的優(yōu)勢并得到迅速發(fā)展。近年來，研究人員開發(fā)了不含傳統(tǒng)大π共軛結(jié)構(gòu)的發(fā)光系統(tǒng)，基于簇集誘導發(fā)光效應（CTE）的一類新興的、非常規(guī)的發(fā)光材料引起了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)熒光材料不同，其發(fā)光來源不是通過大π共軛結(jié)構(gòu)的發(fā)色團，而是通過富含π電子或孤對電子基團（如羥基、酯類、羰基、酰胺等）的相互聚集而形成的空間相互作用（TSI），從而擴展了電子離域能力，并且構(gòu)象剛化后形成了內(nèi)在團簇結(jié)構(gòu)的發(fā)色團。然而，在CTE領域也存在著瓶頸，主要的挑戰(zhàn)是其發(fā)光基本處于藍光區(qū)域或波長約為400－500 nm之間，而在實際應用中更希望發(fā)射熒光擴展到紅光甚至近紅外（NIR）區(qū)域，這對實際應用更有價值。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室3D打印摩擦器件組王曉龍研究員團隊在非傳統(tǒng)熒光水凝膠方面取得重要進展，發(fā)展了具有熱致紅色熒光特性的超分子水凝膠，在熒光成像與檢測、金屬離子識別以及軟體驅(qū)動器等領域具有廣泛的應用前景。
該團隊受蝦青素－蛋白質(zhì)加熱變色現(xiàn)象的啟發(fā)，利用溶劑調(diào)控與相轉(zhuǎn)化氫鍵重構(gòu)相結(jié)合策略，在熱驅(qū)動力下聚合物鏈間多個－C＝O基團和N－H基團發(fā)生聚集，并在強氫鍵作用下形成穩(wěn)定的團簇結(jié)構(gòu)，此時由于－C＝O基團和N－H基團不受外側(cè)水分子氫鍵的影響，對每一個單元都可形成氫鍵D－A結(jié)構(gòu)，有利于電子的電荷轉(zhuǎn)移，空間相互作用增強，使得聚合物構(gòu)象剛化從而產(chǎn)生紅色熒光特性（圖1）。
圖1． 蝦青素－蛋白質(zhì)加熱變性過程和受此啟發(fā)的熒光水凝膠制備機理
該熒光水凝膠在軟體驅(qū)動器方面顯示出良好的應用潛力。該團隊設計并制造了一種仿生熒光水凝膠水母機器人，在電機驅(qū)動下該熒光水母機器人可在水下游動，表現(xiàn)出良好的機械性能（圖2）。
圖2． 熒光水凝膠仿生驅(qū)動器
該研究發(fā)現(xiàn)了離域化氫鍵D－A團簇結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)長波長CTE效應，發(fā)展一種極其簡單的策略制備出具有優(yōu)異力學性能的紅色熒光超分子水凝膠。該方法還具有合成路線短、低成本、綠色及操作簡單等優(yōu)勢，為非傳統(tǒng)熒光水凝膠的設計增添了新的策略。
相關(guān)研究成果以“Multiple hydrogen－bonding induced nonconventional red fluorescence emission in hydrogels”為題，發(fā)表在Nature Communications（Nat． Commun． 2024，15，3482，https：／／doi．org／10.1038／s41467－024－47880－7，https：／／rdcu．be／dFIwv）上。石河子大學博士生吳家宇為論文第一作者，蘭州化物所王曉龍研究員和蔣盼博士（現(xiàn)于法國 Institut Jacques Monod 從事博士后研究工作）為本文通訊作者。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項（B類）、中國科學院“西部之光”創(chuàng)新團隊和蘭州化物所重點培育項目等的支持。
