江南大学付少海教授课题组 CEJ: 荧烷分子结构设计创造“二人世界”超高灵敏度热致变色体系应用于智能纺织品及温度传感

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热致变色材料在传感、防伪、智能穿戴、ID身份识别、显示等领域始终占据重要地位。颜色滞后现象限制了热致变色材料在高灵敏领域的应用和发展。荧烷染料作为一种多功能分子开关，通常与相变材料和双酚A构成三组分热致变色体系，由于分子间的电子转移机制和相变材料的温度滞后而存在变色温度区间宽及颜色滞后等问题。解决变色滞后问题，在超高灵敏度传感和体温监测等柔性传感器或智能纺织品领域具有巨大的潜力。

近日，江南大学付少海教授课题组在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“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）。为了提高热致变色灵敏度，避免可逆变色过程的颜色滞后现象，该课题组设计合成了一组R-酰胺基-荧烷分子开关。新型荧烷染料为自身提供氢质子，改变了常规的分子间电子转移机制，通过分子内质子耦合电子转移(PCET)机制与相变材料创造“二人世界”，赋予热致变色体系优异的变色灵敏度和超低的颜色滞后(< 0.5 ℃)。采用微胶囊技术将其整理在织物上制备具有超高灵敏度的可穿戴温度传感器。这种独特的设计理念可以为其他变色材料的设计提供更多的启发和丰富的变色机制。

图1 R-酰胺基-荧烷分子开关

图2 (a) 荧烷染料结构及性能：M1(常规荧烷染料)、M2(合成品红荧烷染料)、M3(合成绿色荧烷染料)；(b) M2@DPC的T-L*曲线；(c) M2@DPC热台及光学显微镜图像；(d) M3@DPC的T-L*曲线；(e) M3@DPC热台及光学显微镜图像；(f) M1@DPC和(g) M1@DPC@BPA的T-L*曲线图3 质子耦合电子转移热致变色机制：(a) M3的变色机理；(b) 计算机模拟计算:反应物(b1)，过渡态(b2)和生成物(b3)(红色=氧，灰色=碳，蓝色=氮，白色=氢)(φ为AO1B的夹角)；(c)分子结构的键长(单位:Å)和键角；(d)反应能垒图4 UHTC-Ms热致变色性能：(a) GUHTC-Ms的SEM图像；(b) GUHTC-Ms的K/S曲线；(c) GUHTC-Ms的CIE Lab值；(d) CTC-Ms和GUHTC-Ms的变色温度(T)范围；(e) CTC-Ms和GUHTC-Ms的颜色滞后现象；(f) RUHTC-Ms的CIE Lab值；(g) CTC-Ms和RUHTC-Ms的变色温度(T)范围；(h) CTC-Ms和RUHTC-Ms的颜色滞后现象图5 应用展示：(a)温度传感示意图；(b) 可重复使用的多级温度传感演示；(c) UHTCF的一系列响应温度；(d) 可重复使用的温度传感标签；(e)智能纺织品；(f)加密装置示意图；(g)加密代码展示

江南大学纺织科学与工程学院在读博士生王成成为该论文的第一作者，通讯作者为张丽平教授和付少海教授。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136444

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