北京科技大学李立东教授团队AOM：胶束增强水凝胶的光响应速率

Wiley

2025-05-29

研究背景

水凝胶通常是指由物理和/或化学交联的亲水性聚合物形成的聚合物网络，具有良好的可复合性。当在水凝胶中掺入刺激响应性分子或修饰功能性基团时，水凝胶可以发生环境响应性变化，获得刺激响应性水凝胶。将荧光基团掺入水凝胶中以实现可控的发光性能是实现信息加密和按需写入的一种很有前途的方法。由于单一加密模式通常存在材料安全性较差的问题，具有多重刺激响应性的荧光水凝胶成为研究热点。将多刺激响应性荧光基团引入水凝胶是制备此类材料的常用策略。其中，如何提高荧光基团在水凝胶中的刺激响应速率，控制水凝胶的光响应速度是此类水凝胶调控的重点问题。

研究概述

图1. 通过在水凝胶中引入胶束调节螺吡喃分子所处的微环境，提高水凝胶的光响应速率

近日，北京科技大学材料科学与工程学院李立东教授团队提出了一种提高水凝胶光响应速率的方法，即在胶束存在下，将光异构分子甲基丙烯酸螺吡喃（SPMA） 引入聚（2-甲基丙烯酸羟乙酯）水凝胶中。由于胶束为SPMA提供了一个独特的微环境，有效提升了可活化的SPMA 数量，并促进了 SPMA 的光异构化转变速率，在这两种效应的协同作用下，获得了具有更快光响应速率的HEMA-SPMA-F127荧光水凝胶。

通过将羟基螺吡喃（SPOH）丙烯酸酯化合成SPMA，经简单的一步法将其与2-甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）及Pluronic-F127溶液共混，引发自由基聚合反应完成凝胶化（图2a）。水凝胶的合成中没有添加化学交联剂，通过红外光谱分析证明了水凝胶主要靠氢键物理交联（图2b），SEM图可以明显看到产生相分离的不透明水凝胶的致密孔洞结构（图2c）。

图2. a）HEMA-SPMA-F127 水凝胶的制备示意；b）HEMA-SPMA-F127 水凝胶的 FTIR 光谱；c）不同放大倍率下 HEMA-SPMA-F127 水凝胶横截面的 SEM 图像。

F127 胶束的存在对于调节水凝胶中 SPMA 的光异构化行为至关重要。通过加入胶束，水凝胶内部SPMA的光异构化速率和异构化的数量都得到了提升，分别相对没有胶束时提高了约2.1和1.6倍。同时，量子产率也提升了约1.9倍。通过研究SPMA在不同溶剂中的光异构化速率，推测F127胶束提供的微环境中极性与粘度的变化在调节SPMA的光异构化速率中起到了关键作用。

无色闭环的SPMA 在紫外光照射下可转变为有色开环的部花菁结构MC形式，并在酸性环境下进一步转化为质子化的 MCH⁺ 形式， SPMA的这种性质，使得HEMA-SPMA-F127 水凝胶同时具有光和 pH 响应特性，因此可实现两种不同写入模式的按需写入信息功能（图3）。此外，通过将蓝色荧光染料香豆素复合入HEMA-SPMA-F127水凝胶中，结合水凝胶中SPMA的光响应性质，可以实现对荧光信息解密时间的调控（图4）。

图3. a） 将 SPMA 转化为三种不同构象的方案。b） 不同条件下 F127 胶束溶液中 SPMA 的紫外-可见吸收光谱和照片。c）通过选择性光照射在 HEMA-SPMA-F127 水凝胶上进行可逆按需信息写入。d）使用 pH 值和光作为刺激，在水凝胶上进行可逆按需信息写入。

图4. a）在HEMA-SPMA-F127水凝胶上实现编码信息显示时间调控的示意图（采用香豆素引入蓝色荧光）。b）在365 nm紫外光照射下，含不同F127胶束浓度的HEMA-SPMA-F127 水凝胶上的编码信息逐渐显示的速率对比。

该工作以“Promoting the Photoresponse Rate with Micelles in Hydrogels”为题，发表在《Advanced Optical Materials》上（Adv. Optical Mater. 2025, 2403352）。北京科技大学材料科学与工程学院博士研究生高峻珩是本文第一作者，唐馥副教授和李立东教授是本文通讯作者。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。