可光書寫熒光高分子水凝膠顯示系統研究新進展

在物聯網時代，智能可重寫顯示體系的發展有助于緩解日益增長的一次性電子垃圾所引起的環境污染和資源消耗問題，有望成為信息顯示和傳遞的重要媒介。近年來科研人員開發了多種刺激響應顏色變化材料體系用于可逆信息書寫。然而，基于化學物質刺激響應體系（例如水、離子、酸堿、尿素溶液等）通常會產生化學油墨殘留/堆積，嚴重削弱其可重寫性和響應靈敏性。依賴于無刺激殘留的高能量紫外光和短波長可見光響應體系主要依靠調控特定分子化學結構轉變實現信息載入，往往受限于復雜的化學結構設計和較慢的光響應動力學。因此，如何通過新型材料結構與顯示機制的設計，開發一種集遠程控制、快速響應、多色和多模式顯示功能于一體的智能可重寫顯示系統仍然是巨大的挑戰。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤、路偉長期從事熒光高分子水凝膠的仿生構筑及其功能與智能調控研究。近期，受到變色龍皮下組織中不同色素細胞有序排列多層結構及其高效協同能力的啟發，報道了一種近紅外激光觸發的可重寫多色水凝膠體系，其兼具光書寫和光投影的特點，不僅可以實現任意信息的瞬態光寫入/自擦除/光重寫，還可以實現既定多色圖案的可持續光投影顯示。該系統具有垂直排列多層結構，包括作為光熱控制層的聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝二維碳納米管（CNTs）薄膜和作為顯示層的嵌入式熒光高分子水凝膠層。在水凝膠層中溫敏性內芯熒光水凝膠被限制在非響應性外殼熒光水凝膠中，用于更好地實現穩定、可逆和多色的信息載入。這種仿生多層的結構設計有效通過“光觸發-熱量產生-熒光輸出”的級聯過程，建立了一種具有前景的信息顯示機制。近紅外激光可以作為“筆”進行遠程書寫，這一過程中，CNTs層首先發生光熱轉換，并將熱量傳遞給凝膠層誘導溫敏性內芯水凝膠形成氫鍵動態交聯網絡，并產生親疏水相轉變，進一步降低其中鑭系配合物的水溶劑化程度，使得內芯水凝膠熒光增加，從而改變內芯與外殼層的疊加色，產生明顯的顏色變化，實現信息的及時書寫（約為5s）。移除光源，溫敏性內芯水凝膠解除分子鏈內部氫鍵交聯，回到親水狀態使得熒光得以恢復，所書寫信息在36s后完全自擦除并可重新寫入新的信息。此外，多級層狀結構的設計使得光熱控制層CNTs薄膜和熒光水凝膠顯示層易于圖案化，在近紅外激光面光源的投射下可以顯示預先設計的多色圖案。這種功能集成的顯示能力不僅有助于滿足各種信息的不同顯示或傳輸的需求，而且利于實現更好的視覺信息可視化和交互體驗感，并為未來新型光書寫體系的發展奠定了基礎。 

　　相關成果以Light-Writing & Projecting Multicolor Fluorescent Hydrogels for On-Demand Information Display為題發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家重點研發計劃、浙江省自然科學基金等項目的支持。