北师大汪辉亮团队制备具有室温磷光发射的高强度水凝胶

近年来，凭借独特的发光行为及其在光电器件和生物医学等领域的广泛应用，有机室温磷光（RTP，room-temperature phosphorescence）材料受到越来越多的关注。

然而，已报道的大多数有机 RTP 材料大多基于芳香化合物且只能在固态发射磷光。而在溶液中尤其是在水相中，磷光发射会被淬灭。

最近，一些不含芳香基团的高分子和小分子化合物被发现具有本征的荧光和磷光发射。但是，基于非芳基化合物制备 RTP 水凝胶的工作依旧很少，而且水凝胶的力学性能通常较差。

基于此，北京师范大学教授和团队研制出一种基于非芳香聚合物的具有室温磷光发射的高强度水凝胶。

图 | 汪辉亮（来源：）

研究中，他们通过冷冻-解冻法制备了聚乙烯醇（PVA，poly（vinyl alcohol））水凝胶，然后将其依次浸泡在聚马来酸钠（PMANa）和氯化钙水溶液中，再将其在 90°C 下拉伸干燥，最后浸泡在去离子水中直到溶胀平衡，借此制得了具有优异机械性能和 RTP 行为的水凝胶。

其拉伸强度高达 15MPa，并且在 312-400nm 光的激发下，能够发射从蓝色到黄绿色的多色磷光发射，最长磷光寿命为 13.4ms。

（来源：Advanced Functional Materials）

构成该凝胶的两种聚合物-聚乙烯醇和聚马来酸钙，都不含有苯环等大共轭的芳香环。它们的发光完全依赖于羧基和羟基等非典型生色团的簇集，即中国科学院院士等人提出的簇发光机理。

在水凝胶的内部通过离子键和氢键，聚乙烯醇和聚马来酸链段实现了紧密交联，从而让聚合物链的构象变得刚性化，进而增强发光。

同时，这些强相互作用也阻止了生色团与水的接触，限制了它们的非辐射衰减，使得水凝胶能够发射磷光。

本次工作将水凝胶和非传统发光化合物结合，为制备高强度 RTP 水凝胶提供了可靠策略，有利于拓展磷光化合物尤其是非芳香磷光化合物的应用范围。

水凝胶和有机磷光材料都是极具应用前景的材料。二者的结合将赋予有机磷光水凝胶材料在组织工程、生物传感和成像、分析检测、信息加密和发光器件等领域的广泛潜在应用。

据介绍，该课题组在高机械强度水凝胶和非传统发光化合物上都有着丰富的积累。2021 年，该团队报道了一种非传统多色荧光水凝胶。随后他们就考虑制备具有室温磷光发射的非传统发光水凝胶。

本次研究中，他们充分发挥团队成员的个性思维与创新意识，结合团队优势，着手制定多个详细的实验方案，多管齐下以确保研究的顺利进行。

表示：“这项工作最初由学生们设计了五种方案，有借鉴其他课题组制备水凝胶的，也有自己原创的。执行计划过程中，大家及时、适时召开组会，并根据已有数据适当调整。”

他继续说道：“这项工作主要是由博士生邓钧文带领刘海琦、刘德宇和其他几位参加国家级‘本科生科研训练与创新创业项目’的二、三年级本科生完成的。”

2022 年底，恰逢新冠防控全面放开，很多学生感染新冠。当时虽然有很多实验数据有待补充，但还是跟他们强调身体健康是最重要的，尽量回家休息，工作可以以后再慢慢开展。

然而，团队的很多同学都主动提出希望留在学校，坚持推进实验。他们的努力也获得了丰硕的成果。

最终，相关论文以《基于离子交联非芳香聚合物的室温磷光强韧水凝胶》（）为题发在 Advanced Functional Materials[1]，邓钧文是第一作者，刘海琦和刘德宇是共同作者，担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

另据悉，2023 年刘海琦等三位同学参加了“第四届全国大学生化学实验创新设计大赛”并获得华北赛区一等奖。刘海琦和刘德宇分别保送至北京师范大学和清华大学读研究生。

当然，基于这项研究，研究团队也有了一些后续计划。

首先，需要改进水凝胶的磷光性能，制备磷光寿命更长、发光波长、量子产率更高的非芳香室温磷光水凝胶。

其次，他们将尝试通过其他手段制备非芳香高强度磷光水凝胶。除了离子键，还可以基于氢键、疏水作用、主客体作用等基团间相互作用，制备更加多样的非芳香磷光水凝胶，进一步加深对其发光机理的理解，制备更加符合实际需求的产品。

谈及自己所在的学院表示：“北京师范大学化学学院高分子化学与物理专业规模不大，但历史比较悠久，在多个研究方向有自己的特色。”

目前，该课题组主要研究方向为功能高分子材料。该团队近十多年的研究重点之一是高机械强度水凝胶，侧重于新型凝胶制备方法的开发及其结构与性能关系的研究。

此前，该团队已经开发了多种制备具有新颖微观结构和优异力学性能凝胶的方法，所制备凝胶的力学性能指标处于当时最高水平或领先水平，在相关领域具有一定的学术影响。

自 2015 年起，他们开展了非传统发光有机物的研究，发现了一系列非芳香聚合物/有机小分子的荧光和磷光发射行为，比较有代表性的是系列含环酸酐或羧酸根聚合物。

最近，该团队将水凝胶与在非传统发光化合物与水凝胶结合，取得了一些十分有意思的研究结果。

目前，课题组成员大约十人左右。“我们团队依托北师大化学院和‘能量转换与存储材料’北京市重点实验室等平台，思想自由、气氛和谐，科研产出较为丰硕。非常欢迎对我们方向感兴趣的同学加入。”最后表示。

参考资料：

1.Deng, J., Liu, H., Liu, D., Yu, L., Bai, Y., Xie, W., ... & Wang, H. (2023). Room‐Temperature Phosphorescent Tough Hydrogels Based on Ionically Crosslinked Nonaromatic Polymers.Advanced Functional Materials, 2308420.

运营/排版：何晨龙

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