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    東華大學朱美芳院士團隊和香港科技大學唐本忠院士團隊合作開發智能光學纖維傳感器:濕度變化就變色
    2020-07-13  來源:《國家科學評論》

      東華大學朱美芳院士團隊和香港科技大學唐本忠院士團隊合作,開發了高度靈敏的光學纖維傳感器,該纖維能夠快速且可逆地響應周圍環境濕度,并產生肉眼可觀察的熒光顏色變化。



      近年來,有研究將發光單元引入分子馬達中,將動態分子運動與宏觀光學信號結合:在外界環境刺激下,通過分子運動產生分子構象可逆改變,形成可檢測的宏觀光學信號。


      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的固態分子運動研究較少。


      針對這一挑戰,東華大學朱美芳院士團隊和香港科技大學唐本忠院士團隊合作,基于一維(1D)纖維結構和聚集誘導發光(AIE)分子轉子的固態運動能力,開發了高度靈敏的光學纖維傳感器,該纖維能夠快速且可逆地響應周圍環境濕度,并產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”為題在線發表于National Science Review,東華大學碩士生姜耘蒙為第一作者,東華大學朱美芳院士成艷華副研究員和香港科技大學唐本忠院士為論文的共同通訊作者。




      研究者使用大規模溶液紡絲工藝,以D-A(供體-受體)AIE熒光分子為發光單元,商用親水性高分子為捕水型網絡,連續制備了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、接受電子的吡啶鹽單元、單(TPE-P)/雙鍵(TPE-EP)的間隔單元。TPE基團具有四個苯環結構,可以發生高度扭曲,在固態下響應周圍環境,發生分子內運動。同時,在極性環境(如水)下,AIE分子內會發生強烈的D-A相互作用,TPE和吡啶鹽官能團發生旋轉,形成扭曲分子內電荷轉移(TICT)態。


      在低濕度下,低水分子含量的剛性聚合物網絡限制了AIE分子內運動,其發射光波長短、強度高。


      在高濕度下,聚合物網絡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單元內苯環的分子內扭轉。激活的分子內運動作為非輻射通道使激發態的能量衰減,使熒光減弱。同時,溶脹的聚合物基體(高極性微環境)促進TPE單元與吡啶基團的分子內旋轉,形成TICT態。這些因素共同導致AIE/聚合物纖維的發光紅移和減弱。


      在RH11%-95%的相對濕度范圍內,AIE/聚合物纖維發生可逆變色,顏色與相對濕度數值呈線性響應,可對宏觀環境的濕度進行定量可視化檢測。這種熒光響應性能可以通過細化纖維結構和調節聚合物的化學結構而得到放大,從而使水分子能夠迅速地在纖維中擴散,實現超快速(< 1 s)的智能感應。



      此外,由于微/納米纖維的1D柔性結構,智能纖維傳感器具有優異形狀適應性、高度系統集成能力和無接觸定位(痕量水汽檢測)功能,實現濕度的定量化“時空”實時跟蹤,人體活動跟蹤(作為智能人機界面的無接觸定位接口),為集成化柔性新系統構筑提供可能。AIE和1D纖維協同策略不僅為濕度傳感器的開發提供了一條新路徑,而且可以作為人工神經來感知廣泛的環境刺激。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa135

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