【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，《先進材料》(Advanced Materials)在線發(fā)表了我?；瘜W(xué)與分子科學(xué)學(xué)院袁荃教授在環(huán)境響應(yīng)型近紅外長余輝光學(xué)材料領(lǐng)域的研究成果，論文題目為“Bio-inspired multiple responsive NIR II nanophosphors for reversible and environment-interactive information encryption”。武漢大學(xué)為論文第一署名單位和通訊作者單位，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院2021級博士研究生賀天培為論文的第一作者。武漢大學(xué)袁荃教授以及陳娜博士為該論文的通訊作者。
自然界中，生命體為適應(yīng)生存外部變化的環(huán)境進化出了一系列外部刺激響應(yīng)的現(xiàn)象，通過響應(yīng)外部信號的變化，適應(yīng)生存環(huán)境，進而提高生存率。例如我們熟知的變色龍可通過改變細胞中納米級的鳥嘌呤晶體結(jié)構(gòu)，影響光的干涉和衍射，進而實現(xiàn)出顏色的變換，不僅僅可以實現(xiàn)偽裝，還可以作為群體間信息交流的工具進行種間交流。近年來，受自然界啟發(fā)，研究者們在外部環(huán)境刺激響應(yīng)的光學(xué)納米材料開發(fā)領(lǐng)域開展了大量的工作，這些材料可以在光、熱、pH等外部條件刺激下產(chǎn)生光學(xué)信號的變化，在生物傳感、光學(xué)通訊、信息加密、智能家居等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，受到刺激響應(yīng)材料類型有限且刺激響應(yīng)變色機制不清晰的限制，該領(lǐng)域的進展相對緩慢。開發(fā)新的光學(xué)納米材料并探索其刺激響應(yīng)機制對促進刺激響應(yīng)光學(xué)納米材料的設(shè)計開發(fā)、推動智能生物傳感等領(lǐng)域具有重要意義。
長余輝納米材料是一種可以利用缺陷結(jié)構(gòu)存儲光生載流子，而后在外部環(huán)境刺激下持續(xù)發(fā)光的一種光學(xué)材料。具體的來說，長余輝缺陷結(jié)構(gòu)中所存儲的載流子在外部刺激下包括光、熱等刺激下，通過動態(tài)地轉(zhuǎn)變或調(diào)節(jié)其缺陷電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對外部環(huán)境做出恰如其分的響應(yīng)，展現(xiàn)出動態(tài)可調(diào)的光電性質(zhì)。長余輝材料的這種獨特的光學(xué)性質(zhì)使得其非常適合用于開發(fā)環(huán)境刺激響應(yīng)光學(xué)材料。近紅外光具有很強的隱蔽性、強的抗可見光干擾性、深的組織穿透深度等優(yōu)勢，在復(fù)雜樣本高靈敏度生物傳感、邏輯運算與信息加密、光編碼與分子開關(guān)、智能家居等領(lǐng)域受到了廣泛的研究關(guān)注。如何調(diào)控長余輝納米材料結(jié)構(gòu)，獲得具有對外部多重環(huán)境響應(yīng)的近紅外長余輝并探究其機制對環(huán)境刺激響應(yīng)型近紅外材料的發(fā)展至關(guān)重要。
受到自然界中變色龍根據(jù)外部環(huán)境因素進行變色偽裝現(xiàn)象的啟發(fā)，該研究基于水熱法成功獲得了具有溫度、濕度多重響應(yīng)的近紅外二區(qū)長余輝材料Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4:Ni2+，并成功用于外部環(huán)境響應(yīng)的信息加密領(lǐng)域。通過對該材料進行構(gòu)效分析，該研究發(fā)現(xiàn)其近紅外發(fā)光來源于Ni2+摻雜所引入的新能級。此外，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)所獲得的近紅外長余輝光學(xué)材料不僅能響應(yīng)溫度變化，還能對溶劑刺激作出反應(yīng)。結(jié)果表明，近紅外長余輝材料持續(xù)性發(fā)光強度在含羥基的溶劑如水(H2O)和乙醇(C2H6O)中降低，而在無羥基的溶劑如正己烷(C6H14)和二甲基亞砜(C2H6OS)中持續(xù)性發(fā)光強度保持不變。基于研究結(jié)果，該研究推測近紅外長余輝持續(xù)性發(fā)光對外部溶劑的響應(yīng)是由于特定溶劑中與材料表面氨基的相互作用基團的吸附以及隨后的熒光共振能量轉(zhuǎn)移機制。此外，利用所獲得的多重響應(yīng)近紅外持久發(fā)光材料，該研究進一步實現(xiàn)了多色、動態(tài)可逆的環(huán)境響應(yīng)型光學(xué)信息加密，提高了信息加密的安全性。該研究有望為持久發(fā)光材料的光學(xué)性能優(yōu)化提供簡便方法，為多維動態(tài)以及智能化信息加密研究提供新思路。
該項研究得到了武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺、武漢大學(xué)人民醫(yī)院、武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院的支持。該項研究獲得了國家科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委、新基石科學(xué)基金會、中國博士后科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金、武漢大學(xué)人民醫(yī)院交叉創(chuàng)新人才重點資助項目的經(jīng)費支持。
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