纵观历史，光在人类文明的发展中发挥着重要的作用，从自然界中发现的长余辉磷光矿物材料到前沿的人工合成荧光材料。特别是由三维交联的亲水性聚合物网络构成的荧光水凝胶（FPHs）材料在发光传感、检测以及信息加密等方面具有独特的优势并得到迅速地发展。近年来，研究人员开发了不含传统大π共轭结构的发光系统，基于簇集诱导发光效应（CTE）的一类新兴的非常规的发光材料引起了广泛的关注。与传统的荧光材料不同，其发光来源不是通过大π共轭结构的发色团，而是通过富含π电子或孤对电子基团（如羟基、酯类、羰基、酰胺等）的相互聚集而形成的空间相互作用（TSI），从而扩展了电子离域能力，并且构象刚化后形成了内在团簇结构的发色团。然而，在CTE领域也存在着瓶颈，主要的挑战在于其发光基本处于蓝光区域或波长约为400-500 nm之间，而在实际应用中更希望发射荧光扩展到红光甚至近红外（NIR）区域，这对于实际应用更有价值，如在生物成像领域，其具有深层的组织穿透能力、低背景干扰和低光损伤等优点。

  近期，中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队利用溶剂调控与相转化氢键重构相结合策略，在热致驱动下超分子聚（N-丙烯酰基氨基脲）（PNASC）水凝胶内聚合物侧链构象转变并形成强氢键团簇结构，实现了具有热致红色荧光特性的超分子水凝胶。结果表明，在热致驱动下氢键超分子水凝胶内聚合物侧链构象转变并形成强氢键供体和受体（D-A）团簇结构，在没有水氢键的干扰下促进了电子离域并形成更强的相互作用。此外，小部分未形成有效氢键供体和受体（D-A）结构的杂原子（O和N）可能参与包括n-n、n-π等TSI，同时对CTE具有增强的作用。更重要的是，这项工作对于非传统荧光水凝胶的设计增添了新的设计策略，揭示了水分子在CTE的荧光水凝胶的中的作用机制并提供了更多的启示，该非常规荧光超分子水凝胶还可以通过数字光处理（DLP）进行高精度的结构化构筑，在荧光成像与检测、金属离子识别以及软体驱动器等领域显示出巨大的应用前景。

图1. 虾青素-蛋白质加热变性过程和受此启发的荧光水凝胶制备机理

图2. 水凝胶的荧光性能

图3. 水凝胶的结构与荧光性能的关系

图4. 水凝胶的荧光机理

图5. 荧光水凝胶的3D打印制造和金属离子响应性

图6. 荧光水凝胶仿生驱动器和应用

  文章信息：Jiayu Wu, Yuhuan Wang, Pan Jiang*, and Xiaolong Wang*, Xin Jia, Feng Zhou, Multiple hydrogen-bonding induced nonconventional red fluorescence emission in hydrogels, Nature Communications, 2024, 15, 3482.

  全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47880-7

研究团队简介

王晓龙，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员，3D打印摩擦器件组组长，博士生导师。2007年博士毕业于兰州大学，2010-2011香港理工大学研究助理；2012-2013加拿大西安大略大学访问学者。山东省“泰山学者”特聘专家，石河子大学“绿洲学者”，“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项首席科学家，中国机械工程学会增材制造分会委员，甘肃省材料学会理事，《摩擦学学报》等编委；曾获2021年IAAM Scientist Award，甘肃省专利奖一等奖1项（第一），甘肃省医学科技奖一等奖1项（第二），甘肃省科技进步奖二等奖1项（第七）。研究领域包括3D打印新材料及功能器件、仿生摩擦与润滑等，发表论文150余篇，H因子45，获授权中国发明专利20余件、美国专利2件。