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仪表网 研发快讯】室温磷光(RTP)水凝胶因其独特的光学性质，在柔性电子、生物成像、信息加密等领域具有巨大的应用潜力。RTP材料易受水分子和氧气的影响，导致三重态激子湮灭和严重的非辐射能量耗散。传统RTP水凝胶通常采用聚合物基质刚性化的策略，可在一定程度上防止发光团猝灭并且减少分子的热运动，但过度的结晶或取向会使得RTP水凝胶变脆，使其在裂纹等薄弱环节发生断裂。赋予RTP水凝胶优异的单轴/双轴拉伸性能和抗撕裂性能对于拓展RTP水凝胶的应用范围具有重要意义。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室智能高分子材料团队陈涛研究员和路伟研究员长期从事发光高分子水凝胶的仿生构筑及其功能与智能调控研究。近日，该团队与南京工业大学朱宁教授合作，基于上述问题报道了一种超分子限域-缠结协同策略，成功构筑了一种室温磷光水凝胶，并且赋予该材料优异的单轴/双轴拉伸性能和抗裂性。该工作以“Supramolecular Entanglement Driven Emissive Aggregate Enabling Room-Temperature Phosphorescence Hydrogels with Ultra-Stretchability and Crack-Tolerance”为题发表于Angewandte Chemie International Edition上。
科研人员通过超分子限域-缠结协同策略(图1)，使没有完全水合的聚合物单体在聚合过程中形成高度缠结，通过超分子限域作用促进4-联苯硼酸@β-环糊精(4-BB@β-CD)聚集体致密化，有效抑制了分子振动并稳定三重态，使得凝胶具有良好RTP性能的同时，赋予凝胶优异的单轴/双轴(21000%/10000%)拉伸性能和韧性(31.6 MJ m-3)，即使是存在单边缺口的水凝胶也能拉伸至20500%，并且展现出高达157 kJ m⁻²的高断裂能。这是因为PAETC/4-BB@β-CD水凝胶被设计为没有静态化学交联的结构。因此，聚合物链之间形成的高度缠结在持续拉伸过程中可以逐渐解开，显著增加物理交联点之间的链长，从而减少应力集中。即使在大幅度的单轴/双轴拉伸下，凝胶依然表现出良好的RTP性能(图2)。
本研究得到了国家自然科学基金(22322508)、浙江省自然科学基金(LR23E030001)以及中德合作基金(M-0424)等项目的资助。
图1 具有超拉伸性能和抗裂性能的磷光水凝胶PAETC/4-BB@β-CD的设计与制备：(a) 示意图展示了水凝胶的合成过程和化学结构，以及在拉伸过程中微观结构的演变；(b-c) 照片展示了PAETC/4-BB@β-CD-25 wt%水凝胶的双轴拉伸性能，以及单边缺口样品的单轴拉伸性能；(d) PAETC/4-BB@β-CD-25 wt%水凝胶与近年来报道的代表性水凝胶之间的性能对比
图2 PAETC/4-BB@β-CD水凝胶的力学性能：(a)不同含水量的PAETC/4-BB@β-CD水凝胶的真实应力-应变曲线；(b)不同含水量的水凝胶的拉伸性能和韧性；(c) PAETC/4-BB@β-CD-25 wt%水凝胶在拉伸过程中的RTP性能；(d) PAETC/4-BB@β-CD-25 wt%水凝胶经过双轴拉伸至10000%的面积应变以及拉伸后的磷光性能
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