科研進(jìn)展
蘭州化物所紅色熒光水凝膠研究獲新進(jìn)展
三維交聯(lián)的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò )構成的熒光水凝膠（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(lái)，研究人員開(kāi)發(fā)了不含傳統大π共軛結構的發(fā)光系統，基于簇集誘導發(fā)光效應（CTE）的一類(lèi)新興的、非常規的發(fā)光材料引起了廣泛關(guān)注。與傳統熒光材料不同，其發(fā)光來(lái)源不是通過(guò)大π共軛結構的發(fā)色團，而是通過(guò)富含π電子或孤對電子基團（如羥基、酯類(lèi)、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，并且構象剛化后形成了內在團簇結構的發(fā)色團。然而，在CTE領(lǐng)域也存在著(zhù)瓶頸，主要的挑戰是其發(fā)光基本處于藍光區域或波長(cháng)約為400－500 nm之間，而在實(shí)際應用中更希望發(fā)射熒光擴展到紅光甚至近紅外（NIR）區域，這對實(shí)際應用更有價(jià)值。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗室3D打印摩擦器件組王曉龍研究員團隊在非傳統熒光水凝膠方面取得重要進(jìn)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動(dòng)器等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。
該團隊受蝦青素－蛋白質(zhì)加熱變色現象的啟發(fā)，利用溶劑調控與相轉化氫鍵重構相結合策略，在熱驅動(dòng)力下聚合物鏈間多個(gè)－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定的團簇結構，此時(shí)由于－C＝O基團和N－H基團不受外側水分子氫鍵的影響，對每一個(gè)單元都可形成氫鍵D－A結構，有利于電子的電荷轉移，空間相互作用增強，使得聚合物構象剛化從而產(chǎn)生紅色熒光特性（圖1）。
圖1． 蝦青素－蛋白質(zhì)加熱變性過(guò)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動(dòng)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，在電機驅動(dòng)下該熒光水母機器人可在水下游動(dòng)，表現出良好的機械性能（圖2）。
圖2． 熒光水凝膠仿生驅動(dòng)器
該研究發(fā)現了離域化氫鍵D－A團簇結構能實(shí)現長(cháng)波長(cháng)CTE效應，發(fā)展一種極其簡(jiǎn)單的策略制備出具有優(yōu)異力學(xué)性能的紅色熒光超分子水凝膠。該方法還具有合成路線(xiàn)短、低成本、綠色及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，為非傳統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(xué)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(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎與交叉前沿科研先導專(zhuān)項（B類(lèi)）、中國科學(xué)院“西部之光”創(chuàng )新團隊和蘭州化物所重點(diǎn)培育項目等的支持。
