中科大李闖教授 Adv. Mater. : 單一螺吡喃分子實現水凝膠協同變形變色
2025-03-11 來源：高分子科技
協同變形變色現象在自然界中普遍存在，這種進化特質使生命體能夠在外界環境發生變化時進行遠程交流、偽裝甚至威懾，從而提高其生存能力。這一現象啟發了人們挖掘生物體協同變形變色背后的關鍵特征，并進一步開發具有同步形狀變化和顏色調控功能的人工合成智能材料。其中，水凝膠因具備與多種顯色物質良好的相容性以及脫水/吸水導致的可逆形變特性，在構建此類材料方面展現出獨特的優勢。如今，已經有研究者成功將基于光學特性轉變產生的結構色與源于熒光特性變化的發光色（如發色團、鑭系金屬配位或聚集誘導發光機制）引入到水凝膠體系中，但其協同變形變色性能依舊與自然界中生物體的水平相差甚遠。其中一個關鍵原因在于水凝膠的變色與變形機制相互獨立，且形變大多依賴于梯度結構或雙層水凝膠的構筑，導致其顏色變化與形狀變形往往不能同步發生。雖然已有少數研究報道了在單一刺激下實現顏色與形狀同步變化的水凝膠體系，但這些體系仍需依賴不同的刺激響應分子來實現上述行為。
近期，中國科學技術大學李闖教授團隊報道了一種在單一光刺激下、依賴單一發色團分子同時實現變形變色的光響應水凝膠。通過合理分子設計，作者巧妙地將具有激發態分子內質子轉移（ESIPT）效應引入到螺吡喃分子開關結構中，實現了在光致異構化（MCH→SP）過程中的協同熒光和電荷變化（圖1）。將此類螺吡喃分子接枝到高分子水凝膠后，分子熒光和電荷協同變化賦予了水凝膠材料同步的光致變形變色能力，成功將分子層面的耦合響應同步到宏觀層面的凝膠協同多色轉變（紅→綠）與光控形變（向光彎曲）（圖2）。此外，通過在螺吡喃結構中引入不同的取代基，作者也實現了協同顏色變化和背光彎曲的行為。重要的是，雖然變色與變形響應是通過單一螺吡喃分子同步實現的，但二者響應速度均可通過改變環境pH值、調控光照條件實現獨立調節，因此在仿生光驅動、三維信息加密及智能偽裝等領域展現出多場景應用潛力。該工作通過單一化合物在單一刺激下實現多重仿生功能的協同調控，為開發具有同步響應特性的仿生軟材料開辟了新型分子設計路徑。
圖1 可見光刺激下具有ESIPT效應的多色熒光螺吡喃分子設計。
圖2 水凝膠在可見光驅動下的協同顏色變化和向光彎曲行為。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500857
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