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寧波材料所陳濤/路偉團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：在可光書(shū)寫(xiě)多色熒光高分子水凝膠用于按需信息顯示方面取得進(jìn)展

2023-04-21 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：近紅外激光觸發(fā) 可重寫(xiě) 多色水凝膠光書(shū)寫(xiě) 光投影

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能可重寫(xiě)顯示體系的發(fā)展有助于緩解日益增長(zhǎng)的一次性電子垃圾所引起的環(huán)境污染和資源消耗問(wèn)題，有望成為信息顯示和傳遞的重要媒介。近年來(lái)科研人員開(kāi)發(fā)了多種刺激響應(yīng)顏色變化材料體系用于可逆信息書(shū)寫(xiě)。然而基于化學(xué)物質(zhì)刺激響應(yīng)體系（例如水、離子、酸堿、尿素溶液等）通常會(huì)產(chǎn)生化學(xué)油墨殘留/堆積，嚴(yán)重削弱其可重寫(xiě)性和響應(yīng)靈敏性。依賴(lài)于無(wú)刺激殘留的高能量紫外光和短波長(zhǎng)可見(jiàn)光響應(yīng)體系主要依靠調(diào)控特定分子化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)信息載入，往往受限于復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和較慢的光響應(yīng)動(dòng)力學(xué)。因此，如何通過(guò)新型材料結(jié)構(gòu)與顯示機(jī)制的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)一種集遠(yuǎn)程控制、快速響應(yīng)、多色和多模式顯示功能于一體的智能可重寫(xiě)顯示系統(tǒng)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

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團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和路偉研究員長(zhǎng)期從事熒光高分子水凝膠的仿生構(gòu)筑及其功能與智能調(diào)控研究（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202300417; Adv. Mater., 2022, 34, 2107452; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 21890; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 3640; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243）。近期，受到變色龍皮下組織中不同色素細(xì)胞有序排列多層結(jié)構(gòu)及其高效協(xié)同能力的啟發(fā)，報(bào)道了一種近紅外激光觸發(fā)的可重寫(xiě)多色水凝膠體系，其兼具光書(shū)寫(xiě)和光投影的特點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)任意信息的瞬態(tài)光寫(xiě)入/自擦除/光重寫(xiě)，還可以實(shí)現(xiàn)既定多色圖案的可持續(xù)光投影顯示。如圖所示，該系統(tǒng)具有垂直排列多層結(jié)構(gòu)，包括作為光熱控制層的聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝二維碳納米管（CNTs）薄膜和作為顯示層的嵌入式熒光高分子水凝膠層。在水凝膠層中溫敏性?xún)?nèi)芯熒光水凝膠被限制在非響應(yīng)性外殼熒光水凝膠中，用于更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可逆和多色的信息載入。這種仿生多層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效通過(guò)“光觸發(fā)-熱量產(chǎn)生-熒光輸出”的級(jí)聯(lián)過(guò)程，建立了一種具有前景的信息顯示機(jī)制。近紅外激光可以作為“筆”進(jìn)行遠(yuǎn)程書(shū)寫(xiě)，這一過(guò)程中，CNTs層首先發(fā)生光熱轉(zhuǎn)換，并將熱量傳遞給凝膠層誘導(dǎo)溫敏性?xún)?nèi)芯水凝膠形成氫鍵動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并產(chǎn)生親疏水相轉(zhuǎn)變進(jìn)一步降低其中鑭系配合物的水溶劑化程度，使得內(nèi)芯水凝膠熒光增加，從而改變內(nèi)芯與外殼層的疊加色，產(chǎn)生明顯的顏色變化，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)書(shū)寫(xiě)（約為5 s）。移除光源，溫敏性?xún)?nèi)芯水凝膠解除分子鏈內(nèi)部氫鍵交聯(lián)，回到親水狀態(tài)使得熒光得以恢復(fù)，所書(shū)寫(xiě)信息在36 s后完全自擦除并可重新寫(xiě)入新的信息。此外，由于多級(jí)層狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得光熱控制層CNTs薄膜和熒光水凝膠顯示層易于圖案化，在近紅外激光面光源的投射下可以顯示預(yù)先設(shè)計(jì)的多色圖案。這種功能集成的顯示能力不僅有助于滿(mǎn)足各種信息的不同顯示或傳輸?shù)男枨螅依趯?shí)現(xiàn)更好的視覺(jué)信息可視化和交互體驗(yàn)感，并為未來(lái)新型光書(shū)寫(xiě)體系的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

具有仿生多層結(jié)構(gòu)的可光書(shū)寫(xiě)熒光高分子水凝膠顯示系統(tǒng)

該工作以題為“Light-Writing & Projecting Multicolor Fluorescent Hydrogels for On-Demand Information Display”的論文發(fā)表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202300615）。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3204300），浙江省自然科學(xué)基金（LD22E050008），博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20220317），中國(guó)博士后科學(xué)基金（2022M720151），浙江省博士后科研項(xiàng)目擇優(yōu)資助（ZJ2022043），中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019297），中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目（M-0424）等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202300615

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（責(zé)任編輯：xu）

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