时间: 2024-06-10 02:21:33 | 作者: 磺内酯
在自然界中，许多生物体系都是智能的，也便是，许多物种能够根据影响一起改动其色彩和形状。例如，章鱼能够改动其色彩和形状以假装或打猎。蜥蜴当它们遭到惊吓时会散开了褶边，一起变成亮黄色。除动物外，一些植物也显示出这种才能。Brunfelsia acuminata也被称为“昨日-今日-明日”，典型的比如是花朵敞开时为紫色，然后褪色为淡紫色，最终变为白色。
科学家们正在仿照这种生物特性，以制作智能人工资料。一种有期望的办法是运用影响呼应性资料（资料能对外部影响产生呼应）。其间，智能水凝胶能够在温度、pH、辐射、离子强度、特定化学物质等影响下显着改动其体积或其他性质。受生物学行为的启示，已有文章报导可构建具有形状变形或色彩改变（包括荧光改变）才能的影响呼应水凝胶。 但是，大多数水凝胶的形状变形和色彩改变是根据水凝胶中的不同元素或由不同的影响触发的。因而，完成一种影响使水凝胶的荧光色彩、亮度和形状一起改变具有适当的挑战性。
首要了解一下水凝胶的构成。水凝胶由两部分所组成，分别是自动层和被迫层。自动层包括聚（丙烯酰胺- r-4-苯乙烯磺酸钠）的离聚物（PAS）和AIEgen四-（4-吡啶基苯基）乙烯（TPE-4Py），被迫层则只包括PAS。 TPE-4Py具有疏水性，因而在中性pH的水中可构成具有强蓝宝石荧光的聚集体。当pH下降时，TPE-4Py质子化构成四质子化的TPE-4Py（4H-TPE-4Py 4+ ），而且荧光色产生红移。TPE-4Py的质子化增加了其溶解度，因为增强了分子内旋转（EIR）效应，下降了荧光亮度。一起，质子化的TPE-4Py与PAS网络链的苯磺酸根基团之间产生静电相互作用。因而，质子化的TPE-4Py充当了额定的物理交联点，并导致自动层缩短，水凝胶致动器逐步变形。质子化的TPE-4Py与网络离聚物链的静电相互作用使其分子内旋转遭到限制，因而，红移荧光发射的亮度得到增强。 简而言之，当水凝胶处于酸性环境中时，TPE-4Py质子化，荧光从宝石蓝红移，一起亮度下降，质子化的TPE-4Py增强了物理交联，使水凝胶自动层缩短变形，变形的进程中分子内旋转受限，亮度增强。
图1 a）根据TPE-4Py / PAS的双层水凝胶致动器的荧光色彩、亮度和形状的一起改变及其机理的示意图。b）当致动器的介质呈酸性时，聚集体中的TPE-4Py质子化并溶解，并与活性层网络链中的苯磺酸根基团产生静电相互作用。
在中性介质中，TPE-4Py在悬浮液中以无定形状况构成聚集体。TPE-4Py的分子内旋转（RIR）受限制，导致强的蓝宝石荧光。当pH逐步下降到酸性规模时，悬浮液的荧光会跟着pH值从5.0到3.5而产生红移，而且荧光强度跟着pH值从4.8到3.5而下降。 分子内电荷转移（ICT）进程导致荧光的红移。根据密度泛函理论（DFT）核算，TPE‐4Py和质子化TPE‐4Py（4H‐TPE‐4Py 4+）的最高占有分子轨迹（HOMO）和最低未占有分子轨迹（LUMO）能级的分子轨迹振幅图如图 2d所示。ICT产生在从四苯基乙烯结构到四个吡啶结构。4H‐TPE‐4Py 4+的HOMO和LUMO之间的电子云的别离程度显着高于TPE-4Py，而且4H‐TPE‐4Py 4+的HOMO和LUMO之间的能隙（ΔE） 小于TPE-4Py。 因而，质子化时阅历的荧光红移归因于ICT进程。
作者展现了根据TPE-4Py / PAS的 双层水凝胶在3D / 4D打印领域中使用的潜力 。首要，经过在微挤出直写作业站上进行3D打印，制作出不一样的形状的双层水凝胶致动器。经过光交联后，构成了双层水凝胶致动器，这些致动用具有难以经过手艺制备的纤细纹路。之后，经过将平衡溶胀的执行器浸入酸性水溶液中，完成了三臂形致动器的色彩、亮度和形状改变。
总而言之，作者以TPE-4Py为中心功用元件和PAS为基质，制作了在一种影响下具有一起荧光色彩和亮度改变以及杂乱形状变形力的双层水凝胶致动器。 在酸性pH值下，TPE-4Py的质子化导致致动器的荧光色彩和亮度产生显着的改变，质子化的TPE-4Py和活性层中PAS链的苯磺酸基之间的静电相互作用导致致动器变形。 这项作业中将AIEgens与双层水凝胶结合以构建具有杂乱实践功用的智能水凝胶的策略为智能体系的规划供给了新的思路。根据TPE-4Py / PAS的双层水凝胶致动器有望在3D / 4D打印、软体机器人和智能穿戴设备等高科技领域中得到使用。
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