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華中科技大學(xué)王鋒教授《AM》:智能形致變色熒光材料及可擦除熒光墨水

發(fā)表時(shí)間 :2023-10-06 作者 :高分子科學(xué)前沿 來(lái)源 :本內容來(lái)自騰訊平臺創(chuàng )作者

古今中外的神話(huà)故事中,“變形”和“隱身”一直是神仙們擁有的兩種重要“超能力”。例如,孫悟空的“72變”和隱身能力使他屢次成功逃脫妖怪的陷阱。在分子材料領(lǐng)域,科學(xué)家們正在努力設計“智能材料”,希望這些材料能夠在納米尺度上擁有類(lèi)似于神話(huà)人物的特殊能力。變形能力作為智能材料的一個(gè)重要特征,在即將到來(lái)的智能化和微型化器件時(shí)代具有潛在的應用。在過(guò)去的研究中,科學(xué)家們報道了許多對刺激有反應的發(fā)光材料,它們在外部刺激下表現出多色發(fā)光和發(fā)光開(kāi)關(guān)效應。然而,制備具有多重變形和形致熒光變色能力的智能材料仍然是該領(lǐng)域的重要挑戰之一。

近日,華中科技大學(xué)王鋒教授課題組設計開(kāi)發(fā)了一種兼具智能形致變色能力(變形)和熒光開(kāi)關(guān)效應(隱身)的單發(fā)色團熒光聚合物PGP。在不同的外部刺激下,通過(guò)內嵌于PGP中的“分子機關(guān)”可觸發(fā)PGP形成三種典型形貌,且展現出形貌依賴(lài)的特征熒光色彩:即青綠色熒光的球形核殼膠束、黃色熒光的標準矩形納米片和深藍色熒光的無(wú)定形枝狀物。此外,PGP還可以作為一種水性熒光墨水,可實(shí)現在紙上的多次擦除/顯影。該研究成果以“A Smart Single-Fluorophore Polymer: Self-Assembly Shapechromic Multicolor Fluorescence and Erasable Ink”為題,于近期發(fā)表在國際著(zhù)名材料期刊《Advanced Materials》上,論文第一作者為華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生任穎異,華中科技大學(xué)王鋒教授和中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所吳驪珠院士為共同通訊作者。

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PGP的自組裝變形及形致變色

PGP是一種末端含有芘分子單元和胺基的樹(shù)枝狀聚合物(圖1),PGP聚合物中預設了四種具有刺激響應的分子結構特征:雙親性、芘單體/二聚體響應性、主客體組裝性及可逆螯合位點(diǎn)——這些分子結構特征使得PGP顯示出豐富的“智能”特性。在水溶液中,PGP的雙親性促使其自組裝成為球狀核殼膠束,球狀膠束的結構特征進(jìn)一步促成了芘單元的激基締合物(excimer)特征發(fā)光(青綠色熒光);在有機溶劑中,PGP又可以解組裝為無(wú)規則樹(shù)枝狀,這種形狀有利于芘以單體形式發(fā)光(藍色熒光);通過(guò)芘與γ-環(huán)糊精的主客體作用,PGP在水中進(jìn)一步與環(huán)糊精組成標準的長(cháng)方形納米片,實(shí)現芘激基締合物發(fā)光的進(jìn)一步紅移,從而發(fā)出特征的黃色熒光。通過(guò)在標準納米片體系中引入金剛烷客體分子,PGP與環(huán)糊精形成納米片快速解組裝,PGP重新形成球狀膠束,熒光顏色也由黃色恢復為青綠色。通過(guò)外部刺激,PGP展現出豐富的組裝行為,并表現出特有的形致熒光變色效應。

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圖1.?PGP的三種典型組裝形貌(示意圖及電鏡圖)

可多次擦除/顯影的水性熒光墨水

PGP含有大量末端氨基,這些氨基作為路易斯堿可與Cu2+原位形成過(guò)渡金屬配位中心,配位中心有可能作為電子受體通過(guò)光誘導電子轉移(photoinduced electron transfer)猝滅附近芘單元的熒光;引入與Cu2+具有更強配位能力EDTA,破壞芘附近猝滅中心,又可以恢復PGP中芘分子的發(fā)光?;谶@一原理,PGP被還設計為一種具有多次擦除/顯影特性的熒光墨水。利用GP墨水打印的熒光圖案(圖2)可通過(guò)循環(huán)噴灑Cu2+水溶液和EDTA水溶液實(shí)現多次的熒光擦除和顯影——這一特性完全在常用的紙張上實(shí)現,顯示出PGP潛在的實(shí)際應用前景。

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圖2.?PGP對Cu2+的特異性響應以及可擦除/顯影熒光墨水應用

小結

PGP在宏觀(guān)視覺(jué)(熒光變色/開(kāi)關(guān)效應)和微觀(guān)納米尺度(自組裝形貌變化)上均展現出豐富的“智能”響應行為,且實(shí)現了熒光色彩變化與組裝形貌的關(guān)聯(lián)——這些特性將使PGP在納米機器人、智能傳感、信息加密和防偽方面具有潛在應用。

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