可光书写荧光高分子水凝胶显示系统研究新进展

在物联网时代，智能可重写显示体系的发展有助于缓解日益增长的一次性电子垃圾所引起的环境污染和资源消耗问题，有望成为信息显示和传递的重要媒介。近年来科研人员开发了多种刺激响应颜色变化材料体系用于可逆信息书写。然而，基于化学物质刺激响应体系（例如水、离子、酸碱、尿素溶液等）通常会产生化学油墨残留/堆积，严重削弱其可重写性和响应灵敏性。依赖于无刺激残留的高能量紫外光和短波长可见光响应体系主要依靠调控特定分子化学结构转变实现信息载入，往往受限于复杂的化学结构设计和较慢的光响应动力学。因此，如何通过新型材料结构与显示机制的设计，开发一种集远程控制、快速响应、多色和多模式显示功能于一体的智能可重写显示系统仍然是巨大的挑战。

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈涛、路伟长期从事荧光高分子水凝胶的仿生构筑及其功能与智能调控研究。近期，受到变色龙皮下组织中不同色素细胞有序排列多层结构及其高效协同能力的启发，报道了一种近红外激光触发的可重写多色水凝胶体系，其兼具光书写和光投影的特点，不仅可以实现任意信息的瞬态光写入/自擦除/光重写，还可以实现既定多色图案的可持续光投影显示。该系统具有垂直排列多层结构，包括作为光热控制层的聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装二维碳纳米管（CNTs）薄膜和作为显示层的嵌入式荧光高分子水凝胶层。在水凝胶层中温敏性内芯荧光水凝胶被限制在非响应性外壳荧光水凝胶中，用于更好地实现稳定、可逆和多色的信息载入。这种仿生多层的结构设计有效通过“光触发-热量产生-荧光输出”的级联过程，建立了一种具有前景的信息显示机制。近红外激光可以作为“笔”进行远程书写，这一过程中，CNTs层首先发生光热转换，并将热量传递给凝胶层诱导温敏性内芯水凝胶形成氢键动态交联网络，并产生亲疏水相转变，进一步降低其中镧系配合物的水溶剂化程度，使得内芯水凝胶荧光增加，从而改变内芯与外壳层的叠加色，产生明显的颜色变化，实现信息的及时书写（约为5s）。移除光源，温敏性内芯水凝胶解除分子链内部氢键交联，回到亲水状态使得荧光得以恢复，所书写信息在36s后完全自擦除并可重新写入新的信息。此外，多级层状结构的设计使得光热控制层CNTs薄膜和荧光水凝胶显示层易于图案化，在近红外激光面光源的投射下可以显示预先设计的多色图案。这种功能集成的显示能力不仅有助于满足各种信息的不同显示或传输的需求，而且利于实现更好的视觉信息可视化和交互体验感，并为未来新型光书写体系的发展奠定了基础。 

　　相关成果以Light-Writing & Projecting Multicolor Fluorescent Hydrogels for On-Demand Information Display为题发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到国家重点研发计划、浙江省自然科学基金等项目的支持。