三維交聯(lián)的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的熒光水凝膠材料，在發(fā)光傳感和檢測等方面具有優(yōu)勢。近年來，科研人員開發(fā)出不含傳統(tǒng)大π共軛結(jié)構(gòu)的發(fā)光系統(tǒng)?；诖丶T導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)（CTE）的新興的、非常規(guī)的發(fā)光材料備受關(guān)注。與傳統(tǒng)熒光材料不同，新發(fā)光材料的發(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的相互聚集而形成的空間相互作用，從而擴展了電子離域能力，并構(gòu)象剛化后形成了內(nèi)在團簇結(jié)構(gòu)的發(fā)色團。然而，CTE領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是發(fā)光基本處于藍光區(qū)域或波長約在400-500 nm之間，而實際應(yīng)用更希望發(fā)射熒光擴展到紅光甚至近紅外區(qū)域。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)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團隊在非傳統(tǒng)熒光水凝膠研究方面取得進展，發(fā)展了具有熱致紅色熒光特性的超分子水凝膠。這一超分子水凝膠在熒光成像與檢測、金屬離子識別及軟體驅(qū)動器等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

該研究受蝦青素-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，-C=O基團和N-H基團不受外側(cè)水分子氫鍵的影響，對每一個單元均可形成氫鍵D-A結(jié)構(gòu)，利于電子的電荷轉(zhuǎn)移，使空間相互作用增強，并使聚合物構(gòu)象剛化從而產(chǎn)生紅色熒光特性。

該熒光水凝膠在軟體驅(qū)動器方面顯示出良好的應(yīng)用潛力。該團隊設(shè)計并制造了仿生熒光水凝膠水母機器人。該熒光水母機器人在電機驅(qū)動下可在水下游動，表現(xiàn)出良好的機械性能。

該研究發(fā)現(xiàn)了離域化氫鍵D-A團簇結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)長波長CTE效應(yīng)，發(fā)展了簡單策略以制備出具有優(yōu)異力學(xué)性能的紅色熒光超分子水凝膠。該方法具有合成路線短、低成本、綠色及操作簡單等優(yōu)勢，為非傳統(tǒng)熒光水凝膠設(shè)計提出了新策略。

相關(guān)研究成果以Multiple hydrogen-bonding induced nonconventional red fluorescence emission in hydrogels為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項、中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃創(chuàng)新團隊項目和蘭州化物所重點培育項目等的支持。

論文鏈接

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