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《AM》中科院宁波材料所陈涛/路伟:寿命约3.3秒,余辉约45秒!超长高温磷光水凝胶!

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水凝胶的悖论:柔软与余辉难以兼得

室温磷光(RTP)聚合物水凝胶因其长寿命发光和大斯托克斯位移特性,在3D打印、生物成像等领域被寄予厚望。然而,水凝胶固有的柔软、含水本质——包括溶胀的聚合物网络、大量水分以及溶解氧——与高性能有机室温磷光材料所要求的严苛刚性环境(如紧密的分子堆叠、抑制振动、隔绝水氧)存在根本性的矛盾。尽管近期已有通过物理相互作用增强来部分刚性化磷光体的尝试,但能够实现长达数十秒余辉的室温磷光水凝胶依然发展滞后,而能够在高温下工作的磷光水凝胶此前更是未见报道。

创新策略:后盐析聚合赋能超长高温磷光

针对上述挑战,中国科学院宁波材料所陈涛研究员、路伟研究员提出了一种“后盐析聚合”策略,通过显著富集动态交联网络,实现了对氢键有机框架(HOF)保护发光体的紧密限域,从而在水凝胶中首次同时获得了创纪录的室温磷光性能(寿命约3.3秒,余辉约45秒)以及前所未有的超长高温磷光(HTP)性能。即使在100°C高温下,该水凝胶的磷光寿命仍超过1.3秒,余辉持续30秒以上。相关论文以“Post-Salting-Out Polymerization Enriching Dynamic Crosslinks for Ultralong High-Temperature Phosphorescence Hydrogels”为题,发表在Nature Communications上,为超长高温磷光水凝胶的研发开辟了新路径。



示意图1 | 后冻融-盐析聚合富集交联作用制备超长高温磷光水凝胶。 (a) 后盐析聚合策略的示意图,该策略通过将HOF保护的发光体致密地限域在结晶交联网络中,从而在水凝胶中实现超长室温磷光(RTP)和高温磷光(HTP)。

HOF保护与动态网络:机制图解

研究团队首先通过氰尿酸(CA)和三聚氰胺(MA)与发光分子(TP)的多价超分子组装,形成了坚固的氢键有机框架(HOF)结构——TP@HOF花环(图1a)。扫描电镜图像清晰显示了这种花环状的微观形貌(图1b)。光谱测试表明,即使在100°C高温下,TP@HOF花根本身仍能保持一定的磷光发射(图1c-e),但其强度和寿命远不及最终水凝胶,这说明HOF结构提供了基础保护,但尚不足以实现超长高温磷光。


图1 | 通过超分子多价组装形成TP@HOF花环的示意图。 (a) 发光体、氰尿酸(CA)和三聚氰胺(MA)通过多价组装形成稳固氢键花环(TP@HOF)的示意图。 (b) TP@HOF花环的扫描电镜(SEM)图像。 (c) TP@HOF花环在25°C和100°C下的延迟发光光谱。 (d) TP@HOF花环在25°C和100°C下的时间分辨发射衰减测试。 (e) TP@HOF花环在25°C和100°C下,365 nm紫外灯照射期间和关闭后拍摄的照片。

为实现高效限域,研究团队设计了后盐析聚合过程:将TP@HOF与聚乙烯醇(PVA)混合后,在丙烯酸钠(A-Na⁺)溶液中浸泡并引发原位聚合。该过程促使PVA链与TP@HOF花环紧密堆积,形成致密的结晶交联网络(Scheme 1a)。流变学测试证实,所制备的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶具有稳固的交联网络,其储能模量(G')比损耗模量(G'')高出一个数量级(图2a)。动态力学分析(DMA)显示,从20°C升至100°C,G'虽有下降但仍高于G'',表明网络具有良好的热稳定性(图2b)。

破纪录性能:从室温到100°C的蓝色余辉

在365 nm紫外灯照射后,该水凝胶在室温下发射出明亮的蓝色余辉,持续时间超过45秒,其磷光寿命高达3.3秒(图2c-e),创下了水凝胶体系的新纪录。更为惊艳的是,当加热至100°C时,水凝胶依然保持了超过30秒的肉眼可见余辉,寿命仍高达1.3秒(图2d,e)。即使经过扭曲、打结和弯曲(图2f),或在13天的存储后,其磷光性能依旧稳定。此外,该水凝胶的磷光发射峰位不随激发波长改变而改变(图2g),展现出固定的波长特性。


图2 | TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的流变学测试及磷光性质。 (a) 水凝胶的储能模量(G')和损耗模量(G'')的频率扫描谱。 (b) 水凝胶从20°C到100°C的动态力学分析(DMA)曲线。 (c) TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶样品在25°C和100°C下的延迟发光光谱。 (d) TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶样品在25°C和100°C下,365 nm紫外灯照射期间和关闭后拍摄的照片。 (e) TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶样品在25°C和100°C下的时间分辨发射衰减测试。 (f) TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶在25°C和100°C下进行扭曲、打结和弯曲时仍保持磷光性能的照片。 (g) TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的激发-磷光映射图。

机制解密:盐析诱导结晶是关键

研究发现,磷光性能与在A-Na⁺溶液中的盐析时间密切相关。随着盐析时间从6小时延长至48小时,水凝胶的磷光强度提升了9倍,寿命从1.3秒延长至3.3秒,余辉从10秒增至45秒(图3a-c)。结构表征揭示,更长的盐析时间促使PVA结晶度从8.8%大幅提升至20.7%(图3g,h),同时晶区间距从9.74纳米缩小至7.16纳米(图3e,f)。广角X射线散射(WAXS)和小角X射线散射(SAXS)数据共同表明,盐析过程促进了更致密、更刚性的PVA结晶网络的形成。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)与性能关联分析直接证实,磷光强度与寿命随结晶度的增加而单调上升(图3i),证明了密集结晶交联对TP@HOF的限域作用是抑制非辐射跃迁、稳定三重态激子、实现超长磷光的核心机制。


图3 | TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的磷光机理。 (a) 在A-Na⁺溶液中不同盐析时间处理的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的延迟发光光谱。 (b) 在A-Na⁺溶液中不同盐析时间处理的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的时间分辨发射衰减测试。 (c) 在A-Na⁺溶液中不同盐析时间处理的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶在365 nm紫外灯照射期间和关闭后拍摄的照片。 (d) 不同盐析时间处理的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的广角X射线散射(WAXS)谱图。 (e) 不同盐析时间处理的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的小角X射线散射(SAXS)谱图。 (f) 不同盐析时间处理的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶中,相邻晶区平均距离(L)和平均晶区尺寸(D)的估算值。 (g) 不同盐析时间处理的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)。 (h) 结晶度随盐析时间的变化关系。 (i) 室温磷光(RTP)强度和寿命随结晶度的变化关系。

高温稳定性与可逆性:氢键网络的动态演化

尽管温度升高会削弱磷光性能,但即便在100°C下,水凝胶仍保持1.3秒的寿命(图4a-d)。更令人兴奋的是,这种高温导致的性能衰减是完全可逆的——当温度从100°C恢复至25°C时,磷光强度和寿命均可恢复,且经历多次加热-冷却循环后依然如此(图4e)。变温红外光谱(图4f)和二维相关光谱分析(图4g,h)揭示了背后的动态过程:高温下,水凝胶中氢键(包括O-H、C=O、N-H)仅发生部分、暂时的解离,并未造成永久性结构破坏。分子动力学(MD)模拟进一步证实(图5a-e),在加热到100°C再冷却回25°C的过程中,聚合物与TP@HOF之间、聚合物链之间以及TP@HOF内部的氢键数量几乎可以完全恢复,其中聚合物与TP@HOF间的氢键在高温下仅减少约20%,这正是高温磷光性能依然优异且可逆的分子根源。


图4 | TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的高温磷光性质及机理。 (a) 水凝胶样品在不同温度下,365 nm紫外灯照射期间和关闭后拍摄的照片。 (b) 水凝胶在不同温度下的时间分辨发射衰减测试。 (c) 水凝胶在不同温度下的延迟发光光谱。 (d) 水凝胶在不同温度下的磷光强度和寿命。 (e) 水凝胶在100°C加热和25°C冷却交替循环下,480 nm处磷光强度和寿命的变化。 (f) 水凝胶的变温傅里叶变换红外光谱及相应归属(间隔5°C)。 (g) 由(f)生成的二维相关光谱(2DCOS)同步谱。 (h) 由(f)生成的二维相关光谱(2DCOS)异步谱。


图5 | TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的分子动力学模拟。 (a) 模拟了TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶在温度循环(25°C → 100°C → 25°C)过程中的网络结构。 (b) 聚合物与TP@HOF之间氢键的动态解离与缔合。 (c) 聚合物与TP@HOF之间的氢键数量。 (d) TP@HOF内部的氢键数量。 (e) 聚合物链之间的氢键数量。

多彩世界:通过FRET与更换发光体实现多色磷光

为了实现多色余辉,研究团队巧妙地利用了三重态-单重态Förster共振能量转移(TS-FRET)策略,在基质中掺杂不同商业荧光染料(图6a)。结果显示,掺杂荧光素钠(Fluo S)、罗丹明6G(Rhod 6G)和罗丹明B(Rhod B)后,水凝胶的余辉颜色分别由蓝色变为绿色(535 nm)、黄色(575 nm)和红色(602 nm)(图6b-c),且余辉时间仍可优化至约20秒。此外,更换HOF保护的不同芳香族发光体(如NP、DP、CP、PT),同样能获得从青色到黄绿色的多色磷光水凝胶(图6d-g)。这些结果证明了该“后盐析聚合”策略在实现多色室温及高温磷光方面的普适性。


图6 | 通过掺杂不同染料及使用不同发光体实现多色余辉。 (a) 通过三重态-单重态Förster共振能量转移(TS-FRET)实现多色余辉的示意图。 (b) 掺杂不同染料的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的延迟发光光谱,显示多色余辉。 (c) 掺杂不同重量百分比染料的TP@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶在365 nm紫外灯照射期间和关闭后拍摄的照片。 (d) 含有不同发光体的luminogen@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的归一化延迟发光光谱。 (e) 含有不同发光体的luminogen@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶的时间分辨发射衰减测试。 (f) 含有不同发光体的luminogen@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶在25°C下,365 nm紫外灯照射期间和关闭后拍摄的照片。 (g) 含有不同发光体的luminogen@HOF-PVA/PA-Na⁺水凝胶在100°C下,365 nm紫外灯照射期间和关闭后拍摄的照片。

总结与展望

本研究通过创新的“后盐析聚合”策略,成功将HOF保护的发光体限域在结晶主导的交联网络中,利用动态氢键辅助的HOF有序结构与结晶结构的协同作用,在水凝胶中实现了超长室温磷光,并首次报道了高性能高温磷光水凝胶。该材料设计思路简单、合成路线普适,不仅打破了水凝胶“软湿”与磷光“刚性”要求之间的壁垒,更有望在未来推动超长室温/高温磷光材料的通用化开发,拓展其在极端环境下的光子学应用。

来源:高分子科学前沿

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