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江南大學(xué)付少海教授課題組 CEJ: 熒烷分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造“二人世界”超高靈敏度熱致變色體系應(yīng)用于智能紡織品及溫度傳感
2022-04-25  來(lái)源：高分子科技

  熱致變色材料在傳感、防偽、智能穿戴、ID身份識(shí)別、顯示等領(lǐng)域始終占據(jù)重要地位。顏色滯后現(xiàn)象限制了熱致變色材料在高靈敏領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。熒烷染料作為一種多功能分子開(kāi)關(guān)，通常與相變材料和雙酚A構(gòu)成三組分熱致變色體系，由于分子間的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制和相變材料的溫度滯后而存在變色溫度區(qū)間寬及顏色滯后等問(wèn)題。解決變色滯后問(wèn)題，在超高靈敏度傳感和體溫監(jiān)測(cè)等柔性傳感器或智能紡織品領(lǐng)域具有巨大的潛力。



  近日，江南大學(xué)付少海教授課題組在《Chemical Engineering Journal》期刊上發(fā)表了題為“Ultrahigh-sensitivity thermochromic smart fabrics and flexible temperature sensors based on intramolecular proton-coupled electron transfer”的文章（DOI: 10.1016/j.cej.2022.136444）。為了提高熱致變色靈敏度，避免可逆變色過(guò)程的顏色滯后現(xiàn)象，該課題組設(shè)計(jì)合成了一組R-酰胺基-熒烷分子開(kāi)關(guān)。新型熒烷染料為自身提供氫質(zhì)子，改變了常規(guī)的分子間電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，通過(guò)分子內(nèi)質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移(PCET)機(jī)制與相變材料創(chuàng)造“二人世界”，賦予熱致變色體系優(yōu)異的變色靈敏度和超低的顏色滯后(< 0.5 ℃)。采用微膠囊技術(shù)將其整理在織物上制備具有超高靈敏度的可穿戴溫度傳感器。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念可以為其他變色材料的設(shè)計(jì)提供更多的啟發(fā)和豐富的變色機(jī)制。


 

圖1 R-酰胺基-熒烷分子開(kāi)關(guān)


 

圖2 (a) 熒烷染料結(jié)構(gòu)及性能：M1(常規(guī)熒烷染料)、M2(合成品紅熒烷染料)、M3(合成綠色熒烷染料)；(b) M2@DPC的T-L*曲線；(c) M2@DPC熱臺(tái)及光學(xué)顯微鏡圖像；(d) M3@DPC的T-L*曲線；(e) M3@DPC熱臺(tái)及光學(xué)顯微鏡圖像；(f) M1@DPC和(g) M1@DPC@BPA的T-L*曲線

 

 

圖3 質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移熱致變色機(jī)制：(a) M3的變色機(jī)理；(b) 計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算:反應(yīng)物(b1)，過(guò)渡態(tài)(b2)和生成物(b3)(紅色=氧，灰色=碳，藍(lán)色=氮，白色=氫)(φ為AO1B的夾角)；(c)分子結(jié)構(gòu)的鍵長(zhǎng)(單位:?)和鍵角；(d)反應(yīng)能壘

 

 

圖4 UHTC-Ms熱致變色性能：(a) GUHTC-Ms的SEM圖像；(b) GUHTC-Ms的K/S曲線；(c) GUHTC-Ms的CIE Lab值；(d) CTC-Ms和GUHTC-Ms的變色溫度(T)范圍；(e) CTC-Ms和GUHTC-Ms的顏色滯后現(xiàn)象；(f) RUHTC-Ms的CIE Lab值；(g) CTC-Ms和RUHTC-Ms的變色溫度(T)范圍；(h) CTC-Ms和RUHTC-Ms的顏色滯后現(xiàn)象


 

圖5 應(yīng)用展示：(a)溫度傳感示意圖；(b) 可重復(fù)使用的多級(jí)溫度傳感演示；(c) UHTCF的一系列響應(yīng)溫度；(d) 可重復(fù)使用的溫度傳感標(biāo)簽；(e)智能紡織品；(f)加密裝置示意圖；(g)加密代碼展示

 

  江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院在讀博士生王成成為該論文的第一作者，通訊作者為張麗平教授和付少海教授。

 

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136444

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（責(zé)任編輯：xu）
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