人造水凝胶树蛙和蝴蝶！可以像真的一样变色！

编辑推荐：本文提出了一种特殊设计的材料结构以提供一类创新的超分子荧光聚合物水凝胶，其具有广泛的多色可调整性、多响应性、自愈性和重塑能力，可用于理想的伪装功能。构建了人造水凝胶树蛙和蝴蝶，它们可以像真实世界中的同类那样表现出可调节的肤色变化。

许多生物已经进化到对环境中的各种吸引、警告或伪装的环境刺激做出不同的外表颜色变化的反应。然而，构建具有相似的多响应多色可调行为的人工软聚合物水凝胶是具有挑战性的，但这种材料可以作为软仿生皮肤来显著增强某些机器的功能。

 

来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所和中国科学院过程工程研究所的学者提出了一种特殊设计的材料结构以提供一类创新的超分子荧光聚合物水凝胶，其具有广泛的多色可调整性、多响应性、自愈性和重塑能力。这种设计的一个主要特点是将多个荧光团(蓝色(B)聚集诱导发射和红色/绿色(R/G)稀土配位的荧光团)分别组织成单个超分子聚合物网络中不同的聚合链。因此，B和R/G荧光团被设计成正交响应，每个荧光团的荧光强度可以由不同的外部刺激独立控制，这有助于多响应的多色荧光响应。此外，该水凝胶还具有良好的自愈和重塑能力。所有这些优点结合在一起，进一步使得构建柔软的仿生变色皮肤成为可能，从而帮助现有的机器人实现理想的伪装功能。相关文章以“Supramolecular Hydrogel with Orthogonally Responsive R/G/B Fluorophores Enables Multi-Color Switchable Biomimetic Soft Skins”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202108830

 

图1.多色荧光聚合物水凝胶的制备与表征。a)介绍了PPN/P6N和Eu/Tb-PPN/P6N水凝胶的合成过程。b)Eu/Tb-PPN/P6N水凝胶(Eu³⁺/Tb³⁺=3：1)的激发荧光图谱。c)PPN/P6N、Eu-PPN/P6N和Tb-PPN/P6N样品的流变性能；d)不同Eu/Tb比例或增加PPN浓度的多色荧光聚合物水凝胶的荧光照片。e)具有不同Eu/Tb比的多色荧光聚合物水凝胶的荧光光谱.

 

图2.Eu-PPN/P6N水凝胶的多响应多荧光颜色可调性。a)Eu-PPN/P6N在0.015 M NaOH溶液中随时间变色的荧光照片，以及b)其相应的荧光光谱。c)冻干PPN/P6N、Eu-PPN/P6N和NaOH处理过的水凝胶样品的ATR-FTIR光谱，以及d-f)SEM图像和g)XPS光谱。h) Eu-PPN/P6N对多种环境变化的多色变化，以及i)其相应的荧光光谱。

 

图3.自愈合和重塑特性。a)展示红色荧光Eu-PPN/P6N、蓝色荧光PPN/P6N和绿色荧光Tb-PPN/P6N水凝胶块自愈合过程的照片，以及提出的自愈机制。b)自我修复过程的显微图像。c)通过自愈过程制备多色荧光水凝胶结构的照片。d)形状和荧光颜色重置的照片。

 

图4.具有自适应变色行为的生物灵感水凝胶树蛙和蝴蝶的制备。a)展示了通过不同颜色的水凝胶块的自愈过程来制作水凝胶树蛙的过程的插图。b)水凝胶树蛙在Tb³⁺水溶液中的适应性颜色变化的照片。c)水凝胶蝴蝶对不同环境刺激的适应性颜色变化的照片。

 

图5.多色荧光聚合物水凝胶作为仿生软皮的应用，可以帮助机器人融入不同颜色的背景中。a)展示了现有机器人穿戴仿生水凝胶皮肤的准备情况的插图，以及b)显示了它们在不同环境刺激下的不同颜色变化的图像。值得注意的是，恢复过程是指水凝胶皮肤的不同部分进一步用稀土离子处理以恢复初始状态。

 

综上所述，本文展示了具有广泛的多色可调整性、多响应性、自我修复和重塑能力的强健的超分子荧光聚合物水凝胶，并探索了它们在现有机器人的软仿生皮肤中的潜在应用。这些令人满意的多功能被证明源于合理的材料设计，即在超分子交联网络的不同高分子链中加入正交响应性的蓝色AIE-gens和红色/绿色La-gens。基于这些吸引人的特性的协同效应等，本文构建了人造水凝胶树蛙和蝴蝶，它们可以像真实世界中的同类那样表现出可调节的肤色变化。（文：SSC）

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