江南大学王潮霞教授团队《ACS AMI》：用于动态力学信号检测的力致发光装置

2023-01-21 来源：高分子科技

力致发光（ML）指材料受机械力作用后可以将机械能转化为可见光，作为一种刺激响应性材料，ML材料在生物成像、显示及传感等领域显示出独特的优势。然而，大多数的力致发光材料在力刺激下发光信号会发生衰减甚至完全消失，虽然现有无机力致发光材料表现出持久的发光寿命，它们绝大多数材料都是通过高温煅烧来实现，工艺冗长且产率较低。通常，ML材料被包裹或嵌入在软基质中以实现应用，传统的软基质聚合物不可避免受外力损伤而导致ML材料发生泄漏，不能有效保证ML设备的长期使用。因此，ML材料和软基质聚合物的性质对ML设备的服役周期及未来应用极为重要。

针对以上问题，江南大学王潮霞教授团队将自修复聚氨酯弹性体与有机力致发光材料相结合，通过逐层组装的方法制备具有力致发光性能的夹层ML器件，并建立力学与发光信号的定量关系。以咔唑为基础力致发光单元，对其进行烷基链改性制备出一系列咔唑类衍生物。使用含动态二硫键的聚氨酯弹性体作为ML装置的保护层，良好的透光率及自修复性能保证ML装置中有机力致发光层的原位可再生。所制备的ML装置可以通过发光信号强度（≤275，a.u.）对作用在器件上0-13 N范围内的机械力进行检测，从而实现材料的应力可视化。（图1）

图1力致发光装置设计思路

图2 咔唑类衍生物的合成及表征

ML过程是晶体（基团分子状态）经机械刺激后发生晶型破裂所引起的。因此，分子晶体的结构及堆积状态对于实现材料高灵敏的力致发光至关重要。对咔唑N位进行烷基化改性，合成一系列不同烷基链长的咔唑类衍生物（Cz-alkyl_4-8）。烷基链的长度对有机分子晶体的玻璃化转变温度、结晶点及熔点会产生影响。其中，所制备的化合物Cz-alkyl₆在室温下具有强结晶能力，在结晶状态下呈非中心对称结构，结构单元可以有序聚集并堆叠在一起。烷基链区通过弱的分子间作用力（仅范德华力）形成并聚集在尖端，咔唑单元则聚集在底部。六个结构单元（Cz-alkyl₆）在晶体中聚集形成锥形漏斗，然后相互穿插成柱体，因此分子晶体在受外力作用后更容易发生晶型断裂产生力致发光现象。（图2）

图3 力学信号与光学信号的定量相关性

作为外部力刺激作用的直接接收器， ML装置通过保护层将施加的应力传导到ML层，使其能够承受更大的机械冲击。通过复合实验设备研究ML装置受力信号与发光信号之间的定量关系。为进一步数字化定量相关性，使用同一的设备对ML发射波长（460 nm）进行重复采集（每单位力采集10个数据点）。经拟合后曲线可分为两个部分：当压力范围从0 N到13 N时，ML装置的定量关系呈现单指数函数类型（Equation1：adjusted R₂=0.998），表明ML效应随单位力的增加而增强，ML强度最大可达275（a. u.）。作用力高于13 N之后ML效应接近饱和态，呈现出标准线性函数（Equation2：slope=1.783，adjusted R₂=0.010）。重塑后的ML装置在0-12 N范围力作用下仍可以保持单指数函数类型（Equation1：adjusted R₂=0.996），不过ML最大强度有所下降。（图3）

图4力致发光装置的动态力学信号检测

基于ML装置力学与光学信号的定量相关性，对其施加两种典型的机械作用力：撞击力和书写力。通过光纤光谱仪对ML装置受力过程中的光学信号进行实时数据采集，根据定量关系对ML器件的受力过程进行分析，为动态力学信号检测提供了一种可行的方法，对力致发光材料在未来高级应力传感、信息传递及生物成像等方面具有重要研究价值。

相关工作近期以“Mechanoluminescent Device: In-Situ Renewable Carbazole Derivatives Sandwiched by Self-Healing Disulfide Containing Polyurethane for Mechanical Signals Detection” 为题，在期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上发表。江南大学纺织科学与工程学院博士生叶挺为该论文的第一作者，江南大学纺织科学与工程学院殷允杰教授与王潮霞教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21879

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻