明胶泡沫在光学应用中显示出意想不到的超长有机磷光

诸平

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据日本理化研究所（RIKEN）2021年12月27日报道，日本理研所(RIKEN)的化学家与中国南京工业大学南京工业大学（Nanjing Tech University）安众福（Zhongfu An）/黄维（Wei Huang）院士团队合作发现：高强度、超长有机磷光明胶水凝胶泡沫（Gelatin foams show unexpected ultralong organic phosphorescence for optical applications）。当紫外线照射在泡沫上时，坚固、轻量和生物相容性强的泡沫会在黑暗中发光。这种磷光可以有多种应用，例如在显微镜下成像生物样品。相关研究结果已经在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）杂志发表——Suzhi Cai, Zhifang Sun, He Wang, Xiaokang Yao, Huili Ma, Wenyong Jia, Shuxu Wang, Zhihao Li, Huifang Shi, Zhongfu An, Yasuhiro Ishida, Takuzo Aida, Wei Huang. Ultralong Organic Phosphorescent Foams with High Mechanical Strength. Journal of the American Chemical Society, 2021, 143(39): 16256–16263. DOI: 10.1021/jacs.1c07674. Publication Date:September 22, 2021. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07674

磷光材料（Phosphorescent materials）吸收高能量的光，然后逐渐释放能量作为一个较长的波长的光。这种余辉可以持续几分钟甚至几个小时，比荧光材料（fluorescent materials）可能的时间长得多。

无机化合物作为磷光材料被广泛应用，但一些碳基、有机材料也能表现出持久的辉光，称为超长有机磷光（ultralong organic phosphorescence）。有机材料可能比无机荧光粉更容易制造，而且研究人员可以通过改变其分子结构来微调其发光的颜色和持续时间，使其适合防伪和光学传感等可能的应用。但超长有机磷光材料易碎且含有有毒成分，限制了其实际应用。

现在，日本理化研究所新兴物质科学中心（RIKEN Center for Emergent Matter Science）的石田康弘（Yasuhiro Ishida）和他的同事们发现，明胶(一种肽类和蛋白质的混合物，在食品和药品中用作胶凝剂)可以转化成超长有机磷光材料。

研究人员将明胶与水混合形成水凝胶，然后将其冻干以产生多孔泡沫。在测试了不同的明胶浓度和冷冻条件后，研究人员发现，将混合物冷却到零下10℃能产生最强的泡沫，能够承受高压。石田康弘说:“尽管其中80%是空气，但一块方糖大小的泡沫可以承受40公斤的重量。”电镜观察表明，此泡沫具有非常规则的结构，孔隙形状和大小相似。

研究小组用紫外线照射泡沫后，它们发出黄绿色的光达几秒钟。石田康弘回忆说:“当我的学生蔡素芝（Suzhi Cai）偶然发现明胶泡沫显示出强烈的超长有机磷光时，我非常惊讶。如此强的超长有机磷光，从明胶的分子结构来看，是无法想象的。”

研究人员发现，被称为羰基的化学基团簇是泡沫产生超长有机磷光的原因。它们的磷光寿命在暴露于空气后降低，因为水分破坏了这些羰基簇。

该团队用不同的材料制作了类似的泡沫，包括聚丙烯酸钠（sodium polyacrylate）和聚丙烯酰胺{ poly(acrylamide)}。虽然没有明胶泡沫那么强，但这些泡沫都显示出超长的有机磷光活性，发出蓝色或深绿色的光。将明胶与聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)聚合物混合，也会使它们发出磷光。这种明胶泡沫是无毒的，石田康弘现在希望将其开发成用于光学传感器的环保材料。

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Abstract

Ultralong organic phosphorescence (UOP) has aroused enormous interest in recent years. UOP materials are mainly limited to crystals or rigid host–guest systems. Their poor processability and mechanical properties critically hamper practical applications. Here, we reported a series of ultralong phosphorescent foams with high mechanical strength. Phosphorescence lifetime of the foam can reach up to 485.8 ms at room temperature. Impressively, lightweight gelatin foam can bear a compressive pressure of 4.44 MPa. Moreover, phosphorescence emission of polymer foam can be tuned from blue to orange through varying the excitation wavelength. Experimental data and theoretical calculations revealed that ultralong phosphorescence was ascribed to the fixation of multiple hydrogen bonds to the clusters of carbonyl groups. These results will allow for expanding the scope of luminescent foams, providing an ideal platform for developing ultralong phosphorescent materials with high mechanical strength.