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智能多色熒光高分子水凝膠是一類發(fā)光顏色可調(diào)的高分子軟材料，其三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中包含大量水分子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其往往可兼具經(jīng)典熒光高分子水溶液和固態(tài)本體材料兩者共同的性能優(yōu)勢(shì)，在傳感檢測(cè)、信息防偽、仿生驅(qū)動(dòng)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域擁有巨大應(yīng)用前景，是先進(jìn)發(fā)光高分子材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與路偉研究員一直致力于智能熒光高分子水凝膠的構(gòu)建及其仿生驅(qū)動(dòng)、傳感檢測(cè)等應(yīng)用研究，先后發(fā)展了一系列具有智能可調(diào)熒光顏色/強(qiáng)度的高分子水凝膠新材料（Aggregate, 2021, 1, e37; Adv. Intell. Syst. 2021, 2000239; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; ACS Macro Lett. 2019, 8, 937; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568; ACS Sensors, 2018, 3, 2394; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 23884）。然而，與自然界中能夠呈現(xiàn)豐富多彩皮膚顏色變化的變色龍等生物相比，科研團(tuán)隊(duì)制備的多色熒光高分子水凝膠在外界刺激下的發(fā)光顏色變化范圍仍較窄，尤其是仍難以利用單一水凝膠實(shí)現(xiàn)刺激響應(yīng)的紅色、綠色和藍(lán)色熒光相互轉(zhuǎn)變。
經(jīng)過(guò)細(xì)致的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的變色龍皮膚和已報(bào)道的多色熒光高分子水凝膠具有不同的結(jié)構(gòu)，例如，人工合成的多色熒光水凝膠多是將兩種或多種熒光團(tuán)同時(shí)引入單一的各向同性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中制備的，而近期的一個(gè)生物學(xué)研究（M. C. Milinkovitch, et al. Nat. Commun. 2015, 6, 6368）表明，豹紋變色龍的皮膚中含有兩層致密排列的虹色細(xì)胞（類似于核殼結(jié)構(gòu)，如圖1b所示），這種細(xì)胞不僅含有色素，還含有很多光子晶體，變色龍就是通過(guò)肌肉運(yùn)動(dòng)來(lái)控制不同細(xì)胞層中的晶體排列結(jié)構(gòu)來(lái)呈現(xiàn)豐富多彩的結(jié)構(gòu)色變化。這一材料結(jié)構(gòu)的顯著差異促使科研團(tuán)隊(duì)思考：是否可以在高分子水凝膠中構(gòu)建類似的多層核殼結(jié)構(gòu)，使得不同響應(yīng)性的熒光團(tuán)分別分布在不同水凝膠層中，從而可以像變色龍皮膚一樣呈現(xiàn)智能響應(yīng)的紅、綠、藍(lán)、紫等多種發(fā)光顏色相互轉(zhuǎn)變？
為了驗(yàn)證這一設(shè)想，科研團(tuán)隊(duì)提出了一種離子擴(kuò)散誘導(dǎo)界面聚合的材料構(gòu)筑方法，成功地將紅色稀土銪配合物（R）、聚集誘導(dǎo)發(fā)光型（AIE）藍(lán)色萘酰亞胺（B）和pH響應(yīng)性綠色苝四甲酸（G）等三種熒光團(tuán)分別引入核殼結(jié)構(gòu)高分子水凝膠的核層、第一殼層和第二殼層，其中AIE型萘酰亞胺因被共價(jià)接枝到溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）高分子鏈上而具有溫致藍(lán)色熒光顯著增強(qiáng)性質(zhì)。得益于這一獨(dú)特的仿生多層核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三色熒光團(tuán)的空間距離較遠(yuǎn)而不會(huì)發(fā)生復(fù)雜的光物理相互作用（如能量轉(zhuǎn)移、復(fù)合物/締合物發(fā)光等），水凝膠第一殼層和第二殼層的藍(lán)色和綠色熒光強(qiáng)度可以分別利用溫度和pH刺激進(jìn)行獨(dú)立且連續(xù)的調(diào)控，從而成功實(shí)現(xiàn)智能響應(yīng)的紅、綠、藍(lán)、紫等多種發(fā)光顏色相互轉(zhuǎn)變。這一研究工作初步證明了利用仿生多層核殼結(jié)構(gòu)來(lái)制備智能多色熒光高分子水凝膠的可行性，有望在海鮮新鮮度檢測(cè)、信息防偽加密、柔性變色皮膚等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。該工作近期以“A panther chameleon skin-inspired core@shell supramolecular hydrogel with spatially organized multi-luminogens enables programmable color change”為題發(fā)表在Cell Press旗下的Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100417上。該工作發(fā)表后得到多個(gè)科學(xué)媒體的報(bào)道，如The Academic Times（https://academictimes.com/chameleons-inspired-this-colorful-hydrogel-that-detects-if-seafood-has-spoiled/）等。
這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（21774138、51773215）、中科院青促會(huì)（2019297）、中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）和廣東省分子聚集發(fā)光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（2019B030301003）等項(xiàng)目的支持。
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