作者:李清波 来源:中国科学报 发布时间:2024/1/4 19:00:56
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智能型力刺激响应荧光材料实现不同机械力识别

 

近日,《染料和颜料》在线刊发了太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室郭鹍鹏团队联合中山大学教授杨志涌和山西能源学院副教授张芳,在智能型力刺激响应荧光材料研究领域的新进展。

力刺激响应荧光材料因在力刺激作用下会发生荧光信号的改变,使其在力传感、信息记录和加密防伪等领域具有潜在的利用价值。但通过单组分刺激响应荧光材料可智能地区分研磨力和压力等不同机械力的研究相对较少,特别是在力刺激后可发出传播距离更远的红光和近红外荧光的材料更少。另外,已有报道的可识别不同类型机械力识别的力刺激响应荧光材料主要表现为不同荧光颜色的切换,压力识别的门槛值在GPa以上,对MPa级别的弱力刺激不敏感;而且在压力撤去后,它们的荧光颜色会很快回到初始状态,无法对受力信息进行长时间的保存。

针对力响应的敏感性和作用力信息长期保存性问题,科研团队在一个刚性低扭曲分子骨架上引入一个柔性辛基链,设计合成了一个“刚柔并济”的T型有机荧光分子。该荧光材料在原始状态呈现荧光淬灭状态,在各向异性的研磨力作用下发出最大发射波长为622 nm的红色荧光,在各向同性的压力作用下会发出最大发射波长为696 nm的近红外荧光。这两种荧光颜色的差异肉眼可辨,实现了对不同类型机械力的识别。同时,该材料的压力响应门槛低至1MPa,表现出极大的力响应敏感性。更重要的是,撤去研磨力和压力后,其发光状态在室温下保存7天后都不会有明显的褪色现象。这意味着,将该材料作为涂层时,可对受力信息进行长期的保存,有助于受力特征的分析。

该研究同时揭示了这种智能力响应荧光材料的工作机制。首先,低扭曲的刚性分子骨架容易产生π-π相互作用,形成原始的荧光淬灭态;另一方面,分子骨架上引入的柔性烷基链使分子呈现出T形结构,这种分子形状使分子从单分子分散到形成聚集态过程中会在分子与分子间形成大量对机械力敏感的空腔结构。在各项异性的研磨力作用下,这些空腔结构遭到各个方向力的破坏,分子堆叠被揉成无序排列,同时分子间π-π相互作用被破坏,材料发出红色荧光;而在压力作用下,这些空腔沿着一个方向被挤压,导致相邻分子产生挤压和滑动,π-π相互作用被削弱,大量分子形成了紧凑的交错堆积模式,发出近红外荧光。 

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2023.111921

 
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