東華大學(xué)朱美芳院士團(tuán)隊和香港科技大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊合作，開發(fā)了高度靈敏的光學(xué)纖維傳感器，該纖維能夠快速且可逆地響應(yīng)周圍環(huán)境濕度，并產(chǎn)生肉眼可觀察的熒光顏色變化。
近年來，有研究將發(fā)光單元引入分子馬達(dá)中，將動態(tài)分子運(yùn)動與宏觀光學(xué)信號結(jié)合：在外界環(huán)境刺激下，通過分子運(yùn)動產(chǎn)生分子構(gòu)象可逆改變，形成可檢測的宏觀光學(xué)信號。
但是，大部分此類研究都局限在流體中（氣相、液相），對于分子間相互作用較強(qiáng)的固態(tài)分子運(yùn)動研究較少。
針對這一挑戰(zhàn)，東華大學(xué)朱美芳院士團(tuán)隊和香港科技大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊合作，基于一維（1D）纖維結(jié)構(gòu)和聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）分子轉(zhuǎn)子的固態(tài)運(yùn)動能力，開發(fā)了高度靈敏的光學(xué)纖維傳感器，該纖維能夠快速且可逆地響應(yīng)周圍環(huán)境濕度，并產(chǎn)生肉眼可觀察的熒光顏色變化。研究以“Solid-state intramolecular motions in continuous fibers driven by ambient humidity for fluorescent sensors”為題在線發(fā)表于National Science Review，東華大學(xué)碩士生姜耘蒙為第一作者，東華大學(xué)朱美芳院士、成艷華副研究員和香港科技大學(xué)唐本忠院士為論文的共同通訊作者。
研究者使用大規(guī)模溶液紡絲工藝，以D-A（供體-受體）AIE熒光分子為發(fā)光單元，商用親水性高分子為捕水型網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)制備了AIE/聚合物纖維（微/納米）。
其中，AIE分子包含三個片段：給電子的四苯基乙烯（TPE）基團(tuán)、接受電子的吡啶鹽單元、單（TPE-P）/雙鍵（TPE-EP）的間隔單元。TPE基團(tuán)具有四個苯環(huán)結(jié)構(gòu)，可以發(fā)生高度扭曲，在固態(tài)下響應(yīng)周圍環(huán)境，發(fā)生分子內(nèi)運(yùn)動。同時，在極性環(huán)境（如水）下，AIE分子內(nèi)會發(fā)生強(qiáng)烈的D-A相互作用，TPE和吡啶鹽官能團(tuán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，形成扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）態(tài)。
在低濕度下，低水分子含量的剛性聚合物網(wǎng)絡(luò)限制了AIE分子內(nèi)運(yùn)動，其發(fā)射光波長短、強(qiáng)度高。
在高濕度下，聚合物網(wǎng)絡(luò)吸收周圍水分子并迅速溶脹，賦予AIE分子更大的自由度，有利于TPE單元內(nèi)苯環(huán)的分子內(nèi)扭轉(zhuǎn)。激活的分子內(nèi)運(yùn)動作為非輻射通道使激發(fā)態(tài)的能量衰減，使熒光減弱。同時，溶脹的聚合物基體（高極性微環(huán)境）促進(jìn)TPE單元與吡啶基團(tuán)的分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，形成TICT態(tài)。這些因素共同導(dǎo)致AIE/聚合物纖維的發(fā)光紅移和減弱。
在RH11%-95%的相對濕度范圍內(nèi)，AIE/聚合物纖維發(fā)生可逆變色，顏色與相對濕度數(shù)值呈線性響應(yīng)，可對宏觀環(huán)境的濕度進(jìn)行定量可視化檢測。這種熒光響應(yīng)性能可以通過細(xì)化纖維結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)而得到放大，從而使水分子能夠迅速地在纖維中擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)超快速（< 1 s）的智能感應(yīng)。
此外，由于微/納米纖維的1D柔性結(jié)構(gòu)，智能纖維傳感器具有優(yōu)異形狀適應(yīng)性、高度系統(tǒng)集成能力和無接觸定位（痕量水汽檢測）功能，實(shí)現(xiàn)濕度的定量化“時空”實(shí)時跟蹤，人體活動跟蹤（作為智能人機(jī)界面的無接觸定位接口），為集成化柔性新系統(tǒng)構(gòu)筑提供可能。AIE和1D纖維協(xié)同策略不僅為濕度傳感器的開發(fā)提供了一條新路徑，而且可以作為人工神經(jīng)來感知廣泛的環(huán)境刺激。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa135
