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来自 公司简介 2020-01-06 01:55 的文章
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《Angew》类变色龙的高分子水凝胶基软体机器人颜

  原标题:《Angew.》类变色龙的高分子水凝胶基软体机器人,颜色可控纳米激光器早问世

  在亿万年的自然演化中,一些生物体逐渐发展出体色、形态等随环境变化的能力。其中,最典型的例子就是变色龙:它能够根据外部环境或情绪心理的变化来快速改变肤色,以达到伪装或交流的目的。研究表明,变色龙的皮肤具有特殊的多层色素细胞构造,环境或情绪的变化会诱导皮肤肌肉运动,改变皮肤多层色素细胞的分布,进而实现多样化的身体颜色变化。

  这一有趣的生物体变色现象启发科学家们构建了多种基于高分子薄膜和弹性体的智能仿生软体机器人,这些具有变色功能的伪装机器人在自然环境中表现出类生物体的行为,不易被识别和破坏,因而在海洋探索、生物学研究、环境考察等方面应用前景巨大。相较于高分子薄膜和弹性体,高分子水凝胶具有与生物组织相当的模量及软、湿等特性,可能更加适宜于变色软体机器人的构建。因此,如何通过各向异性高分子水凝胶的组成结构设计,实现驱动与智能荧光色变等功能的协同来构建具有变色功能的水凝胶驱动器,就成为我们格外关注的关键问题。

  在该工作中,研究人员从多色荧光单体分子设计的源头出发,合成了一种含有吡啶羧酸盐配体的单体6APA,其与N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、甲双叉丙烯酰胺经自由基聚合制备的温敏性高分子水凝胶(PNIPAM-K6APA)的荧光强度很弱,但稀土铕(Eu3+)和铽离子(Tb3+)的分别掺杂会诱导吡啶羧酸盐配体的能量转移,进而发出明亮的红色和绿色荧光,进一步地,可以通过不同比例铕和铽离子与吡啶羧酸盐配体的竞争配位作用的调控来获得红色和绿色相叠加的多色荧光。该荧光水凝胶具有丰富的刺激响应性,酸碱、竞争配位阴/阳离子等的刺激都会改变其荧光颜色(图2)。

  基于这一智能荧光色变原理,研究人员以温敏性PNIPAM-K6APA为主动层、称量纸为被动层构建了一种各向异性荧光高分子水凝胶驱动器。如图3所示,在碱和温度的交互刺激下,一对分别基于红色荧光Eu-PNIPAM-K6APA和绿色荧光Tb-PNIPAM-K6APA驱动器的仿生变色龙表现出协同的肤色变暗和身姿形变,模仿出变色龙在意欲发动攻击时心理情绪变化诱导的肤色变暗现象;类似地,在铽离子和温度的交互刺激下,基于红色荧光Eu-PNIPAM-K6APA驱动器的仿生变色龙表现出与协同的身姿形变和“红转黄绿”肤色改变,初步模仿出变色龙在环境变化诱导下的皮肤颜色变化多样性(图4)。

  图3 分别基于Eu-PNIPAM-K6APA和Tb-PNIPAM-K6APA水凝胶驱动器的一对仿生变色龙在碱和温度交互刺激下的协同变形变色行为

  图4 基于Eu-PNIPAM-K6APA水凝胶驱动器的仿生变色龙在铽离子和温度交互刺激下的协同变形变色行为

  在该工作中,研究人员通过各向异性多色荧光高分子水凝胶驱动器的组成结构设计,协同利用竞争配位调控的荧光色变和温度控制的形状改变,制备了一种具有类变色龙行为的高分子水凝胶基软体机器人。尽管现在的变色软体机器人在结构设计和功能展示上还比较粗糙,但这一成功实例证明了变形变色等多功能协同的软体机器人的可行性,为未来多功能软体机器人的开发和应用奠定了基础。

  以上工作得到了国家自然科学基金(21774138, 51773215, 51873223)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、中国科学院青年创新促进会(2019297, 2017337)、中科院海洋新材料与应用技术重点实验室开放基金(2018K02)等项目的资助。(来源:宁波材料所)

  变色龙是一个神奇的物种,随着外界环境颜色发生变化,其身体的颜色往往会相应的做出改变,起到隐蔽色的作用。很长时间以来,人们一直以为变色龙的这种“变色”天赋是因为其皮肤下有不同颜色的色素细胞,通过这些色素细胞的舒张和收缩从而显示出不同的颜色。但其实变色龙的变色原理比我们想象的要高级的多。

  2015年,瑞士科学家们就发现,变色龙变色的奥秘根本不在色素,而是其体表纳米晶体的作用!科学家发现变色龙皮肤中有两层致密重叠的虹色细胞,其不仅有色素,也包含了无数微小的可以反射光线的纳米晶体结构。这些纳米晶体的尺寸、接口模块im形状、排列的变化都能够使得反射的光线呈现出不同的颜色。变色龙正是通过皮肤的放松和收紧来控制这些纳米晶体的排列结构变化,从而表现出体表颜色的改变。

  受到变色龙这种变色机制的启发,近日美国西北大学材料学院和化学院的科学家们合作开发出了一种新型纳米激光器,其在弹性基底上形成了Au纳米颗粒阵列,实现了超灵敏的应变响应,可以像变色龙一样发出颜色可变的纳米激光。相关研究成果于6月18日发表在Nano Letters期刊上(“Stretchable Nanolasing from Hybrid Quadrupole Plasmons”)

  值得一提的是,与变色龙显示的颜色一样,这种纳米激光器显示出的颜色属于结构色,而不是化学色,因此具有更好的化学稳定性和稳健性。加上其可调谐性、可逆性,以及对应变的高度敏感性,这种纳米激光器有望在下一代响应式柔性光学显示器、可穿戴光子器件以及测量应变的超敏感传感器等领域中大放异彩。

  资料来源:Nano Letter,本文由【江苏纳米创新中心】微信公众平台原创发布

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