《Angew》聚集诱导发光碳点凝胶用于章鱼形状颜色协同可调致动器

【背景】

章鱼可以同时游走并改变体色/形态以进行伪装和自我保护，然而，构建具有类似章鱼的协同形状/颜色变化和定向运动行为的人造软执行器仍然非常具有挑战性，但这样的系统可以显着增强软机器人的功能。

【摘要】

中国科学院宁波材料技术与工程研究所路伟研究员/陈涛研究员团队利用具有可旋转对称表面的 CDs 来开发具有可逆双开关模式荧光的聚集诱导发射 CDs 聚合物凝胶，制造显示章鱼状协同形状/颜色变化的各向异性，并在水面上自主运动的游泳机器人。受经典有机 AIE 发光体设计的启发，乙烯基功能化 CD (VCD)是带有可旋转的疏水表面基团。然后通过丙烯酰胺 (AAm)、丙烯酸 (AAc) 和 VCD 的自由基共聚制备凝胶。然后通过乙二醇 VCD 聚合物凝胶层和 3M VHB 弹性体层的界面组合制造非对称双层致动器（示意图 1b）。当浸入水溶液中时，聚合物凝胶会吸水以诱导疏水性 VCDs 簇的形成，其中 VCDs 的表面分子内旋转受到严重限制。因此，疏水性 VCDs 簇的红色聚集诱导发射被激发（示意图 1c）。除了这种蓝色到红色的发射颜色变化之外，聚合物凝胶层还会吸水膨胀，使双层致动器变形为各种 3D 结构。重要的是，水-乙二醇交换过程还伴随着通过马兰戈尼效应产生的表面张力梯度，从而促进其自主游泳运动。在这些基础上，作者设计了第一个类似章鱼的软体机器人，采用八个乙二醇 VCDs 凝胶双层致动器作为“章鱼臂”，一个乙二醇 VCDs 凝胶作为“章鱼头”。该章鱼具有强大的协同形状/颜色变化和定向游泳运动。文章“Aggregation Induced Emissive Carbon Dots Gels for Octopus-Inspired Shape/Color Synergistically Adjustable Actuator”发表在《Angewandte Chemie International Edition》。

【主图导读】

示意图1. (a)章鱼协同行为，即同时进行形状变形、颜色变化和定向运动。当有威胁感知时，章鱼会通过头部下方的漏斗（橙色标记）喷水，推动其身体游走，同时改变其形状和肤色以融入周围环境。(b) 双层乙二醇 VCDs 聚合物凝胶/3M VHB 致动器在水中的协同形状和荧光颜色变化及其相关机制。(c) VCDs 聚合物凝胶的化学结构和可逆双开关模式荧光（蓝色分散荧光和红色 AIE）。

图 1. (a) CD 和 VCD 的合成过程。(b) VCD 的 TEM 图像。(c) 在 365 nm 紫外线照射下，乙二醇和水中 中的 VCD 的照片，以及显示 VCD 分散和聚集状态。(d) VCDs 在水和乙二醇中在 365 nm 紫外线照射下的荧光光谱。(e)通过 VCD、AAm、AAc 和 MBAA 的热诱导自由基聚合制备乙二醇 VCD 聚合物凝胶。

图 2. (a) 乙二醇 VCD 凝胶浸入水中后随时间变化的照片。(b) 乙二醇 VCDs 凝胶的 3D 荧光光谱。(c) 在水-乙二醇交换过程中乙二醇 VCD 凝胶的激光扫描共聚焦图像。(d) 水 VCDs 凝胶的 3D 荧光光谱。(e)逆双开关模式荧光。(f) VCDs 聚合物凝胶的 SEM 图像。(g) 乙二醇/水凝胶基质中水含量从 0% 增加到 100% 的 VCD 聚合物凝胶，以及它们相应的荧光光谱 (h) 和 440 和 600 nm 处的峰值强度变化 (i)。(j)在乙二醇 VCD 聚合物凝胶表面印刷各种图案的过程。VCD 聚合物凝胶上的 (k) “星星”、(l) “糖果”和 (m) “音符”图案。(n)凝胶表面荧光图案“写入-擦除-重写”过程。

图 3. (a) 冻干双层 VCD 凝胶致动器的SEM 图像。(b)由水-乙二醇交换触发的荧光 VCDs 凝胶致动器的协同荧光颜色和形状变化 (c)。(d) 双层致动器在水和乙二醇中的弯曲角度随时间的变化。(e) 具有不同厚度的弹性体和凝胶层的双层致动器的时间相关弯曲角。(f) 双层致动器的循环致动过程。(g)绣球花同时开花和蓝变红颜色变化过程的方案，以及显示同时开花和变色行为的聚合物凝胶人工绣球花灌木的相应照片。

图 4. (a)等边三角形 VCD 凝胶的运动轨迹的方案。定量描绘了其前 60 s (b) 和 1140~1200 s (c) 的运动轨迹。(d) “TT-游泳者”在水面上的运动。其前 200 秒的运动轨迹 (e) 和速度 (f) 被定量描述。(gh)基于 VCDs 聚合物凝胶的人造章鱼状软机器人的协同形状/颜色变化和定向游泳运动，以及定量运动轨迹 (i) 和速度 (j) .

【总结】

作者报道了第一个具有理想的双开关模式荧光颜色（红色 AIE 和蓝色分散荧光）的聚集诱导发射 CDs 聚合物凝胶系统，该系统是通过将涂有可旋转表面基团的疏水性 CDs 共价掺入交叉连接的聚（AAm/AAc）网络。通过将这种蓝色荧光乙二醇 VCD 凝胶层与被动 3M VHB 弹性体层（被动层）进行界面结合，进一步构建了各向异性双层致动器，同时实现绣球花开花和蓝红变色的双功能协同作用。此外，发现由于乙二醇从凝胶内部扩散到周围的水中，在双层致动器周围自动产生了大的表面张力梯度。总之，开发的具有三功能协同作用的 VCDs 凝胶游泳执行器证明了仿生智能变色软机器人的可能性，有望用于环境应用、水上探索和伪装。

参考文献：
doi.org/10.1002/anie.202107281

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