汤建新教授课题组《ACS Macro Letters》： pH 振荡器驱动的水母状AIE变色水凝胶致动器
开发具有复杂实用功能的软执行器对于模仿生物体的行为具有重要意义。然而，制造具有类似水母的协同变形和荧光颜色变化（SDFC）和自主动态行为的人造软执行器仍然是一个挑战，但这样的系统显然可以赋予经典软执行器更多的功能。基于此，湖南工业大学汤建新教授课题组提出利用具有pH 响应性聚集诱导发射 (AIE) 的四（4-吡啶基苯基）乙烯（TPE-4N）发光体来制造 AIE 活性水凝胶，该水凝胶可进一步用于获得基于各向异性双层软致动器与丙烯酸 (AA) 凝胶的强界面粘附力。此外，还展示了显示 SDFC 行为的人造花形执行器。在这些发现的基础上，已经制造了由pH 振荡器驱动的受水母启发的自主凝胶致动器，其中周期性的 SDFC 行为完全由系统本身调节，无需重复打开/关闭外部刺激，与 pH 振荡器很好地同步。所描述的非线性化学和响应性水凝胶致动器的组合开辟了通往具有可用于仿生领域的自主行为的不平衡 SDFC 设备的途径。
汤建新教授课题组采用聚集诱导发光材料与双层水凝胶，基于pH振荡器原理，成功构建了一种模拟水母变形和荧光颜色变化(SDFC)行为的仿生水凝胶执行器。该执行器由含聚丙烯酸(pH响应形状变形层, SD)和氨基官能化四苯乙烯(荧光颜色层, FC)的水凝胶片组成。通过二氧化硅纳米颗粒与N,N-二甲基丙烯酰胺聚合物侧链的强相互作用，实现了双层结构的界面粘附。SD层在高pH值下通过静电排斥实现膨胀，而FC层中四质子化TPE-4N的脱质子化诱导荧光增强。该系统能够通过单一pH变化同步控制变形和荧光颜色变化，且无需外部刺激即可实现自主、可逆的SDFC行为，为仿生材料领域提供了新设计思路。
相关论文以题为“pH Oscillator-Driven Jellyfish-like Hydrogel Actuator with Dissipative Synergy between Deformation and Fluorescence Color Change”发表在《ACS Macro Letters》上。本文通讯作者是湖南理工学院梁恩湘副教授、王国祥教授，以及湖南工业大学汤建新教授，第一作者是阳彩霞博士。
图1. 类似水母的 SDFC 系统示意图。
图2.(a) FC 水凝胶样品在各种缓冲溶液中的 pH 依赖性荧光发射光谱。(b) FC 水凝胶样品在各种缓冲溶液中在 505 nm 处的峰值荧光强度，以及在 365 nm 紫外灯下拍摄的照片。(c) FC 水凝胶的 pH 响应荧光颜色变化机制。(d) FC水凝胶片在NaOH水溶液中不同时间荧光变化的图解和照片。
图3.(a) FC/SD 双层水凝胶条在 365 nm 紫外光照射下浸泡在 pH 9 和 3 缓冲溶液中不同时间后的 SDFC 行为示意图和照片。(b) FC/SD 水凝胶致动器的弯曲角 (θ) 在 pH 9 和 3 的缓冲溶液之间随时间变化。θ是圆心由两个半径形成的圆心角。(c) FC/SD 水凝胶致动器在不同弯曲角度下的 PL 光谱。(d) FC/SD 水凝胶致动器的循环 SDFC 行为。
图4.(a) 花形水凝胶在 pH 变化过程中的 SDFC 行为示意图。(b) 显示 SDFC 行为的人造水凝胶花的图像。
图5.(a) 水母状仿生水凝胶致动器自主 SDFC 行为的实验装置示意图。(b) 观察到反应溶液的自主、周期性和连续 pH 振荡。(c) 由 HPD pH 振荡器驱动的 TPE-4N 和 AA 的性质在质子化和去质子化之间的自主和周期性切换。(d) 亮度和弯曲角振荡跟随 pH 值变化。(e) 水母状仿生水凝胶致动器在不同时间的 SDFC 行为快照。
文献链接：https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.2c00002
