生活中，我們喜於食用口感優異的果凍、龜苓膏等零嘴，傾向於佩戴更為便捷的隱形眼鏡，使用效果更加明顯的凝膠敷料。其實，這些吃的、用的材料都是由水凝膠構成的。

圖1 生活中常見的水凝膠製品：

A 果凍，B 龜苓膏，C 隱形眼鏡，D 水凝膠敷料。

（圖片來自網路）

什麼是水凝膠？

顧名思義，水凝膠是由水和凝膠骨架構成的。凝膠骨架是一類具有親水性基團，能被水溶脹但不溶於水的聚合物三維網路。凝膠可根據網路中填充物質的差異分為不同的種類：若填充的是水則為水凝膠，是有機溶劑則為有機凝膠，是空氣則為氣凝膠。常見的親水性凝膠骨架主要包括：聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯醯胺（PAAm）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）等。

刺激下的變形、變色

水凝膠的骨架具有優異的可修飾性，內部三維空腔具有極大的包容性。因此，透過適當的設計，該材料能被賦予刺激響應效能，即在外界刺激下（溫度、光、pH等）產生形狀變換或顏色改變。

智慧熒光水凝膠如何色變？

智慧熒光水凝膠指的是一類發光顏色或者強度會隨外界刺激發生顯著變化的高分子軟材料。它的變色主要是基於體系中引入的熒光髮色基團的變色機理。

基於硫脲基團在Hg

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刺激下能從綠光轉變為藍光，科研人員以濾紙為基底設計了一種具有Hg

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響應性的熒光高分子水凝膠複合材料（如圖2所示）。

在濾紙的毛細作用和水凝膠超親水性的協同作用下，這類材料可以實現水溶液或者食品中Hg

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的快速、高靈敏度的檢測。

圖2 基於熒光高分子水凝膠的Hg

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感測器。（

圖片來源：

Adv。 Mater。 Technol。 2018， 1800201

）

隨後，科研人員利用離子印染技術，開發了一種具有各向異性結構的熒光高分子水凝膠（如圖3所示）。其中，濾紙中的鐵離子能透過擴散作用進入熒光凝膠體系，在導致芘基團熒光淬滅的同時，賦予水凝膠能產生驅動作

用力

的各向異性結構。這類材料在二維平面資訊、三維形狀資訊及多維度資訊方面具有潛在的應用價值。

圖3 基於離子印染技術的多維度資訊儲存裝置。（

圖片來源：

Sci。 China Mater。 2019， 62， 831

）

基於萘醯亞胺熒光基團的pH響應性，科研人員還構建了一種刺激響應性的高分子水凝膠複合材料（如圖4所示）。該材料不僅可以用於水環境pH的檢測，還可以透過離子印染的方法，實現了水凝膠表面熒光強度的時空調控。

圖4 熒光高分子水凝膠表面發光顏色的時空調控（ACS Macro Lett。 2019， 8， 937）

能變色、會形變的智慧熒光水凝膠

如果把其他的功能（如形狀記憶功能、自修復功能、驅動功能等）引入熒光水凝膠體系，透過功能的協同，就可以構築能變色、會形變的多功能智慧水凝膠。

科研人員透過超分子膠水對驅動層和色變層進行宏觀模組組裝，利用溫度和酸鹼度的分別刺激，實現了形變和色變的協同（如圖5所示）；進一步，採用離子印染技術和摺紙技術，基於動態硼酸酯鍵賦予的自修復和形狀記憶功能，得到了三維的資訊加密-解密水凝膠。

圖5 基於模組組裝的熒光水凝膠驅動器。（

圖片來源：

Adv。 Funct。 Mater。 2018， 1704568

）

圖6 形狀記憶、自修復功能協同熒光高分子水凝膠。（

圖片來源：

Adv。 Funct。 Mater。 2019， DOI： 10。1002/adfm。201905514

）

透過高分子水凝膠的組成結構設計，協同熒光效能與其他效能（如自修復、形狀記憶、智慧驅動等），這類智慧熒光高分子水凝膠材料在仿生驅動、感測檢測、資訊儲存加密等方面具有很大的潛在應用價值。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所