在自然界中，许多生物可以同时改变其颜色和形状。例如，为了让授粉昆虫能够更容易地辨认花期，俗称“昨天-今天-明天”的双色茉莉，在花朵绽开的过程中，花的颜色经历紫色-淡紫色-白色的变化；在动物界，当伞蜥蜴受到惊吓时，其颈部四周的伞状皮膜打开，同时皮膜颜色从褐色变为亮黄色。尽管科学家们一直致力于仿生人工智能材料的开发，但是，构建在单一外界刺激下能够同时改变发光颜色、强度和形状的材料仍具挑战。而实现这种材料的关键在于发光颜色、强度和形状的改变要基于同一元素。

  近日，香港科技大学唐本忠院士团队选用刺激响应性聚集诱导发光荧光体（Aggregation-Induced Emission Luminogens，AIEgens）作为上述元素，结合双层水凝胶技术，设计并开发了可以同时改变荧光颜色、强度和形状的仿生水凝胶驱动器。团队研究人员将pH响应AIEgen四吡啶四苯乙烯（TPE-4Py）聚集体不对称地包埋在交联聚(对苯乙烯磺酸钠-r-丙烯酰胺)（PAS）水凝胶中，得到了发光双层水凝胶（图1a）。在中性环境中，TPE-4Py聚集体由于疏水聚集诱导发光现象，使水凝胶呈现亮青色；当环境pH降低到酸性时，TPE-4Py质子化，分子内电荷转移（ICT）过程导致其发光红移，水凝胶荧光颜色逐渐变为黄色，离子化后的TPE-4Py-4H⁴⁺与离聚物PAS产生静电相互作用（图1b），PAS链通过此相互作用介导的分子内运动受限（Restriction of Intramolecular Motion，RIM）过程使AIEgen发出改变强度的光，同时，生成的TPE-4Py-4H⁴⁺作为新的物理交联点，增加了其所在层的交联密度，使得各向异性水凝胶发生形状改变。

图1. (a) 基于TPE-4Py/PAS的双层水凝胶驱动器在pH刺激下同时改变荧光颜色、强度和形状的示意图；(b) 当驱动器所处环境酸化时，在活性层聚集体中的TPE-4Py质子化并于PAS链形成静电相互作用。

  团队研究人员用上述策略和材料制备了形状复杂的仿生花驱动器，将其浸泡在酸性水溶液中后，其发光颜色、强度和形状可以同时改变，在“花”绽放过程中，其颜色和发光强度同时发生了改变（图2）。

图2. 具有复杂形状的基于TPE-4Py/PAS的双层水凝胶驱动器在pH刺激下可以同时改变其发光颜色、强度和形状。（照片拍摄于365 nm紫外光照射下。上行为侧视视角，下行为俯视视角。）

  研究人员指出此双层水凝胶驱动器在3D/4D打印、软体机器人和智能可穿戴设备领域有着潜在应用，并且他们证明了其在4D打印邻域的应用。他们与香港城市大学吕坚院士团队合作，利用TPE-4Py/PAS材料作为墨水，实现了材料的3D打印，进一步将打印出的三臂水凝胶驱动器浸入酸性水溶液中，驱动器同样可以实现荧光颜色、强度和形状的改变。4D打印实验得到了吕坚院士团队刘朋超博士的大力帮助。

图3. 同时荧光颜色-荧光强度-形状响应的4D打印——基于TPE-4Py/PAS双层水凝胶驱动器的应用。(a) – (c) 三臂双层水凝胶驱动器的3D打印过程；(d) 条形、三臂和四臂形状水凝胶驱动器在日光和365 nm紫外光下的照片；(e) 三臂驱动器在pH刺激下的4D同时发光和形状改变。

  结合AIEgens和双层水凝胶技术构建智能发光驱动器的策略为设计制备人工智能体系提供了新思路，为智能材料的构建提供了新材料。

  这一成果近期以“Bioinspired Simultaneous Changes in Fluorescence Color, Brightness, and Shape of Hydrogels Enabled by AIEgens”为名发表于《Advanced Materials》上。文章的第一作者为香港科技大学博士后黎朝博士，通讯作者为香港科技大学林荣业教授和唐本忠院士。

  论文信息：

  Zhao Li, Pengchao Liu, Xiaofan Ji, Junyi Gong, Yubing Hu, Wenjie Wu, Xinnan Wang, Hui-Qing Peng, Ryan T. K. Kwok, Jacky W. Y. Lam,* Jian Lu, and Ben Zhong Tang*; Bioinspired Simultaneous Changes in Fluorescence Color, Brightness, and Shape of Hydrogels Enabled by AIEgens; Adv. Mater. 2020, 1906493. DOI: 10.1002/adma.201906493.

  全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201906493