东华大学朱美芳院士团队和香港科技大学唐本忠院士团队合作开发智能光学纤维传感器：湿度变化就变色

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东华大学朱美芳院士团队和香港科技大学唐本忠院士团队合作，开发了高度灵敏的光学纤维传感器，该纤维能够快速且可逆地响应周围环境湿度，并产生肉眼可观察的荧光颜色变化。

近年来，有研究将发光单元引入分子马达中，将动态分子运动与宏观光学信号结合：在外界环境刺激下，通过分子运动产生分子构象可逆改变，形成可检测的宏观光学信号。

但是，大部分此类研究都局限在流体中（气相、液相），对于分子间相互作用较强的固态分子运动研究较少。

针对这一挑战，东华大学朱美芳院士团队和香港科技大学唐本忠院士团队合作，基于一维（1D）纤维结构和聚集诱导发光（AIE）分子转子的固态运动能力，开发了高度灵敏的光学纤维传感器，该纤维能够快速且可逆地响应周围环境湿度，并产生肉眼可观察的荧光颜色变化。研究以“Solid-state intramolecular motions in continuous fibers driven by ambient humidity for fluorescent sensors”为题在线发表于National Science Review，东华大学硕士生姜耘蒙为第一作者，东华大学朱美芳院士、成艳华副研究员和香港科技大学唐本忠院士为论文的共同通讯作者。

研究者使用大规模溶液纺丝工艺，以D-A（供体-受体）AIE荧光分子为发光单元，商用亲水性高分子为捕水型网络，连续制备了AIE/聚合物纤维（微/纳米）。 

其中，AIE分子包含三个片段：给电子的四苯基乙烯（TPE）基团、接受电子的吡啶盐单元、单（TPE-P）/双键（TPE-EP）的间隔单元。TPE基团具有四个苯环结构，可以发生高度扭曲，在固态下响应周围环境，发生分子内运动。同时，在极性环境（如水）下，AIE分子内会发生强烈的D-A相互作用，TPE和吡啶盐官能团发生旋转，形成扭曲分子内电荷转移（TICT）态。

在低湿度下，低水分子含量的刚性聚合物网络限制了AIE分子内运动，其发射光波长短、强度高。

在高湿度下，聚合物网络吸收周围水分子并迅速溶胀，赋予AIE分子更大的自由度，有利于TPE单元内苯环的分子内扭转。激活的分子内运动作为非辐射通道使激发态的能量衰减，使荧光减弱。同时，溶胀的聚合物基体（高极性微环境）促进TPE单元与吡啶基团的分子内旋转，形成TICT态。这些因素共同导致AIE/聚合物纤维的发光红移和减弱。

在RH11%-95%的相对湿度范围内，AIE/聚合物纤维发生可逆变色，颜色与相对湿度数值呈线性响应，可对宏观环境的湿度进行定量可视化检测。这种荧光响应性能可以通过细化纤维结构和调节聚合物的化学结构而得到放大，从而使水分子能够迅速地在纤维中扩散，实现超快速（< 1 s）的智能感应。

此外，由于微/纳米纤维的1D柔性结构，智能纤维传感器具有优异形状适应性、高度系统集成能力和无接触定位（痕量水汽检测）功能，实现湿度的定量化“时空”实时跟踪，人体活动跟踪（作为智能人机界面的无接触定位接口），为集成化柔性新系统构筑提供可能。AIE和1D纤维协同策略不仅为湿度传感器的开发提供了一条新路径，而且可以作为人工神经来感知广泛的环境刺激。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa135

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