三維交聯(lián)的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的熒光水凝膠（FPHs）材料在發(fā)光傳感、檢測以及信息加密等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢并得到迅速發(fā)展。近年來，研究人員開發(fā)了不含傳統(tǒng)大π共軛結(jié)構(gòu)的發(fā)光系統(tǒng)，基于簇集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)（CTE）的一類新興的、非常規(guī)的發(fā)光材料引起了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)熒光材料不同，其發(fā)光來源不是通過大π共軛結(jié)構(gòu)的發(fā)色團(tuán)，而是通過富含π電子或孤對電子基團(tuán)（如羥基、酯類、羰基、酰胺等）的相互聚集而形成的空間相互作用（TSI），從而擴(kuò)展了電子離域能力，并且構(gòu)象剛化后形成了內(nèi)在團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的發(fā)色團(tuán)。然而，在CTE領(lǐng)域也存在著瓶頸，主要的挑戰(zhàn)是其發(fā)光基本處于藍(lán)光區(qū)域或波長約為400－500　nm之間，而在實(shí)際應(yīng)用中更希望發(fā)射熒光擴(kuò)展到紅光甚至近紅外（NIR）區(qū)域，這對實(shí)際應(yīng)用更有價值。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組王曉龍研究員團(tuán)隊(duì)在非傳統(tǒng)熒光水凝膠方面取得重要進(jìn)展，發(fā)展了具有熱致紅色熒光特性的超分子水凝膠，在熒光成像與檢測、金屬離子識別以及軟體驅(qū)動器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

該團(tuán)隊(duì)受蝦青素－蛋白質(zhì)加熱變色現(xiàn)象的啟發(fā)，利用溶劑調(diào)控與相轉(zhuǎn)化氫鍵重構(gòu)相結(jié)合策略，在熱驅(qū)動力下聚合物鏈間多個－C＝O基團(tuán)和N－H基團(tuán)發(fā)生聚集，并在強(qiáng)氫鍵作用下形成穩(wěn)定的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，此時由于－C＝O基團(tuán)和N－H基團(tuán)不受外側(cè)水分子氫鍵的影響，對每一個單元都可形成氫鍵D－A結(jié)構(gòu)，有利于電子的電荷轉(zhuǎn)移，空間相互作用增強(qiáng)，使得聚合物構(gòu)象剛化從而產(chǎn)生紅色熒光特性（圖1）。

圖1．　蝦青素－蛋白質(zhì)加熱變性過程和受此啟發(fā)的熒光水凝膠制備機(jī)理

該熒光水凝膠在軟體驅(qū)動器方面顯示出良好的應(yīng)用潛力。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種仿生熒光水凝膠水母機(jī)器人，在電機(jī)驅(qū)動下該熒光水母機(jī)器人可在水下游動，表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能（圖2）。

圖2．　熒光水凝膠仿生驅(qū)動器

該研究發(fā)現(xiàn)了離域化氫鍵D－A團(tuán)簇結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)長波長CTE效應(yīng)，發(fā)展一種極其簡單的策略制備出具有優(yōu)異力學(xué)性能的紅色熒光超分子水凝膠。該方法還具有合成路線短、低成本、綠色及操作簡單等優(yōu)勢，為非傳統(tǒng)熒光水凝膠的設(shè)計(jì)增添了新的策略。

相關(guān)研究成果以“Multiple　hydrogen－bonding　induced　nonconventional　red　fluorescence　emission　in　hydrogels”為題，發(fā)表在Nature　Communications（Nat．　Commun．　2024，15，3482，https：／／doi．org／10.1038／s41467－024－47880－7，https：／／rdcu．be／dFIwv）上。石河子大學(xué)博士生吳家宇為論文第一作者，蘭州化物所王曉龍研究員和蔣盼博士（現(xiàn)于法國　Institut　Jacques　Monod　從事博士后研究工作）為本文通訊作者。

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)（B類）、中國科學(xué)院“西部之光”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和蘭州化物所重點(diǎn)培育項(xiàng)目等的支持。