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基于智能多色熒光高分子水凝膠仿生變色皮膚研究獲進(jìn)展
文章來(lái)源：新材料在線 更新時(shí)間：2021-06-11 13:58:48
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刺激響應(yīng)性顏色變化在自然界中較為普遍。例如，海洋軟體動(dòng)物、蝴蝶、魚、蜘蛛和花等生物已經(jīng)進(jìn)化出利用動(dòng)態(tài)顏色變化來(lái)實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性偽裝、隱蔽和警報(bào)等功能。受到這些生物體變色現(xiàn)象的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了多種基于聚合物薄膜、彈性體和水凝膠等軟材料的人工變色體系。其中，高分子水凝膠由于具有類生物組織的模量及本征軟、濕特性，以及良好的生物相容性，被認(rèn)為是模擬生物變色功能的理想軟材料。目前，已有關(guān)于多色水凝膠系統(tǒng)的報(bào)道，但其仍較少被應(yīng)用于仿生皮膚來(lái)增強(qiáng)機(jī)器人的功能，可能的原因如下：目前已報(bào)道智能水凝膠的變色過(guò)程多由pH、金屬離子、溫度等傳統(tǒng)刺激手段調(diào)控，依賴于溶液環(huán)境或復(fù)雜且不方便攜帶的設(shè)備，也難以實(shí)現(xiàn)材料光學(xué)性能的精確時(shí)空控制；pH或金屬離子響應(yīng)體系，酸堿等化學(xué)刺激物的不斷交替添加，會(huì)在水凝膠內(nèi)殘留累積反應(yīng)生成無(wú)機(jī)鹽，削弱其循環(huán)刺激響應(yīng)的靈敏度，導(dǎo)致變色性能的衰減，限制了其在軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展新型“無(wú)刺激物殘留”的智能變色水凝膠體系以實(shí)現(xiàn)其局部發(fā)光顏色/強(qiáng)度的精確控制和優(yōu)異的循環(huán)變色性能十分必要。
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研究員陳濤與路偉致力于智能熒光高分子水凝膠的研究（Cell Reports Physical Science 2021, 2, 100417；Aggregate 2021, 1, e37；Advanced Intelligent Systems 2021, 2000239；Angewandte Chemie International Edition 2021, 60, 8608；Angewandte Chemie International Edition 2021, 60,3640；Angewandte Chemie International Edition 2019, 58, 16243；Advanced Functional Materials 2019, 29, 1905514；Advanced Functional Materials 2018, 28, 1704568等）；該團(tuán)隊(duì)在基于碳材料的高分子復(fù)合體系研究方面也取得了進(jìn)展（Nature Communications 2020, 11, 4359；ACS Nano 2019, 13, 4368；Nano Energy 2019, 59, 422；Journal of Materials Chemistry A 2018, 6, 10217；Chemical Communications 2018, 54, 12804；Chemical Communications 2017, 53, 1949；Chemistry of Materials 2016, 28, 7125等）。近期，受到自然界生物控制皮膚顏色變化策略的啟發(fā)，如頭足類動(dòng)物對(duì)色素細(xì)胞的選擇性激活通常是由神經(jīng)系統(tǒng)（生物電）控制的，促使科研團(tuán)隊(duì)思考，是否有可能將電刺激引入多色熒光水凝膠體系中。如果可以，那么，可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)刺激殘留”以及遠(yuǎn)程和局部地控制變色過(guò)程，也可為進(jìn)一步的系統(tǒng)控制與集成提供便利，例如，可將所制備的變色器件作為仿生皮膚方便地集成到商業(yè)電控機(jī)器人中，以實(shí)現(xiàn)理想的偽裝、顯示或報(bào)警功能。
基于此，該研究設(shè)計(jì)并制備了一種具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電控?zé)晒馍兯z-石墨烯體系，通過(guò)電熱調(diào)控實(shí)現(xiàn)了多種熒光顏色的靈活控制。如圖1所示，將熒光高分子水凝膠、熒光漆、導(dǎo)電紙以及電極通過(guò)層層復(fù)合得到非對(duì)稱水凝膠-石墨烯體系。在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)水/空氣界面自組裝制備單面具有堆疊石墨烯膜的導(dǎo)電紙。將紅色稀土銪配合物、綠色稀土鋱配合物或具有AIE性能的藍(lán)色萘酰亞胺類熒光團(tuán)作為發(fā)光中心引入聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）基水凝膠中制備溫敏性多色熒光高分子水凝膠。利用碳基薄膜層在通電時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，誘導(dǎo)溫敏性熒光水凝膠層發(fā)生可逆相變，使透光率急劇下降，對(duì)下層熒光漆的大部分入射光和發(fā)射光進(jìn)行遮擋，同時(shí)水凝膠的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，從而使原來(lái)熒光水凝膠層與熒光漆層的疊加色變?yōu)轫攲铀z的熒光色，顏色發(fā)生明顯改變。通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠層和熒光漆層的顏色組合可以實(shí)現(xiàn)多種熒光顏色的變化。該電熱刺激過(guò)程不使用任何化學(xué)刺激物，是一種理想的“無(wú)刺激殘留”的響應(yīng)方式，且易于控制和調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程和局部控制。基于水凝膠-石墨烯體系優(yōu)異的電控變色的性能，進(jìn)而構(gòu)建了柔性仿生皮膚用于模仿生物體皮膚的生理功能，可以幫助商用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)偽裝和顯示（圖2）。進(jìn)一步，將所制備的仿生皮膚與傳感器相連接，通過(guò)級(jí)聯(lián)過(guò)程，模擬警報(bào)水母的變色警報(bào)過(guò)程（圖3）。該研究構(gòu)筑的具有偽裝、顯示和警報(bào)能力的水凝膠基仿生變色皮膚，有望使商用機(jī)器人在自然環(huán)境中更好地執(zhí)行探索、檢測(cè)甚至救援任務(wù)。
相關(guān)研究成果以Promotion of Color-Changing Luminescent Hydrogels from Thermo to Electrical Responsiveness toward Biomimetic Skin Applications為題，發(fā)表在ACS Nano（DOI：10.1021/acsnano.1c02720）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和王寬誠(chéng)教育基金等的支持。
圖1.電熱調(diào)控?zé)晒馍兯z-石墨烯體系的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2.仿生皮膚的應(yīng)用，可以幫助商用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)偽裝和顯示功能
圖3.仿生皮膚的應(yīng)用，可以幫助人造警報(bào)水母實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)警報(bào)功能 |
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