近日，我院金勇教授團(tuán)隊(duì)受到自然界生物皮膚的啟發(fā)，利用少量化學(xué)物質(zhì)，制備了一種具有多重監(jiān)測、抗菌、自愈合、防凍功能的機(jī)致變色/機(jī)電響應(yīng)的光電雙傳感離子皮膚(DSI-skin) (如圖1所示)。相關(guān)研究成果以我院為第一單位發(fā)表在國際著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，題為“Highly synergistic, electromechanical and mechanochromic dual-sensing ionic skin with multiple monitoring, antibacterial, self-healing, and anti-freezing functions”(2021，9，23916-23928)。我院博士研究生白龍為本文第一作者，其導(dǎo)師金勇教授為通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金及四川省科技支撐計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
圖1. 具有多重監(jiān)測、抗菌、自愈合、防凍功能的機(jī)致變色/機(jī)電響應(yīng)的光電雙傳感離子皮膚(DSI-skin)
DSI-skin仿生離子皮膚是在含有羧酸根的水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)中，通過引入Al3+離子來賦予材料離子傳導(dǎo)能力，并利用高取代的羥丙基纖維素(H-HPC)形成膽淄相液晶結(jié)構(gòu)色賦予材料靈敏的變色能力，從而首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)光電雙模式響應(yīng)拉伸、壓力和濕度，不僅能夠通過電阻的變化顯示電信號，而且可以通過調(diào)節(jié)液晶相的螺距來反映鮮艷的視覺信息，具備數(shù)字化、可視化地監(jiān)控人體運(yùn)動和呼氣的功能。同時(shí)借助Al3+離子和H-HPC的高度協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了快速的顏色調(diào)控(426-641nm)、出色的抗菌(Log Reduction＞3.43)、自愈(85.0% efficiency)和抗凍(-15℃)等功能特性。這些實(shí)用的功能延長了材料使用壽命，擴(kuò)大了其在許多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。該研究結(jié)果將為高性能仿生皮膚、可穿戴設(shè)備和生物傳感器制造提供必要的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。
研究團(tuán)隊(duì)還針對有毒重金屬離子（特別是重金屬鎘離子和鉛離子）引起的水污染問題，利用皮革領(lǐng)域常見的明膠以及生物源硫辛酸作為原料，并結(jié)合功能化修飾石墨烯量子點(diǎn)熒光納米材料研制了一類可同時(shí)用于裸眼和熒光雙模式檢測及吸附處理水體中鎘離子和鉛離子的多功能凝膠材料（P(TA-MBA-GQDs)/Ge DN凝膠）(如圖2所示)，具有自愈能力、可加工再生能力、生物降解性和生物相容性。相關(guān)研究成果以我院為第一單位發(fā)表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上，題為“Tailoring multifunctional gel for sensitive naked-eye and fluorescence dual-mode detection and effective adsorption of cadmium (Ⅱ) and lead (Ⅱ) ions in water”(2022，429：132367)。我院博士研究生賴雙權(quán)為本文第一作者，其導(dǎo)師金勇教授為通訊作者。該項(xiàng)研究也得到了國家自然科學(xué)基金及四川省科技支撐計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
圖2. P(TA-MBA-GQDs)/Ge DN多功能凝膠可同時(shí)靈敏進(jìn)行裸眼/熒光雙模式檢測并高效吸附鎘、鉛離子
研究團(tuán)隊(duì)通過精心的設(shè)計(jì)，利用甲基丙烯酸縮水甘油酯對課題組先前所報(bào)道過的石墨烯量子點(diǎn)進(jìn)行了功能化修飾以利于其能夠穩(wěn)定地共價(jià)交聯(lián)固定到凝膠基材中，并通過合理的選擇生物質(zhì)明膠和生物源硫辛酸作為雙重網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了如上圖所述的凝膠材料。該凝膠在吸附鎘離子/鉛離子后，石墨烯量子點(diǎn)的熒光會出現(xiàn)相應(yīng)的增強(qiáng)/猝滅，而明膠的熒光卻不會發(fā)生明顯的改變，致使凝膠在吸附鎘離子/鉛離子后會呈現(xiàn)出青色至黃綠色/藍(lán)紫色的熒光顏色轉(zhuǎn)變并伴隨明顯的熒光強(qiáng)度變化，從而首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)靈敏裸眼/熒光雙模式檢測鎘離子和鉛離子，對鎘離子和鉛離子的檢測線性范圍可控制在0.02-0.24 μmoL之間。同時(shí)，由于含有大量的活性吸附位點(diǎn)，該凝膠還能夠有效的吸附水中的鎘離子和鉛離子，最大吸附容量分別可達(dá)194.553和259.067 mg/g，均超過了先前報(bào)道的凝膠吸附材料。此外，該凝膠具有優(yōu)異的自愈能力、可再加工性、生物降解性和生物相容性，在實(shí)際應(yīng)用中可延長其使用壽命并可防止其在棄用時(shí)造成二次污染。本研究不僅為同時(shí)靈敏檢測和有效去除水中的鎘離子和鉛離子開發(fā)了一個(gè)多功能平臺，而且為未來研究制備用于監(jiān)測和凈化重金屬污染水的多功能材料提供了一種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)策略。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA06798B
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721039450#f0050
