三维交联的亲水性聚合物网络构成的荧光水凝胶（FPHs）材料在发光传感、检测以及信息加密等方面具有独特的优势并得到迅速发展。近年来，研究人员开发了不含传统大π共轭结构的发光系统，基于簇集诱导发光效应（CTE）的一类新兴的、非常规的发光材料引起了广泛关注。与传统荧光材料不同，其发光来源不是通过大π共轭结构的发色团，而是通过富含π电子或孤对电子基团（如羟基、酯类、羰基、酰胺等）的相互聚集而形成的空间相互作用（TSI），从而扩展了电子离域能力，并且构象刚化后形成了内在团簇结构的发色团。然而，在CTE领域也存在着瓶颈，主要的挑战是其发光基本处于蓝光区域或波长约为400-500 nm之间，而在实际应用中更希望发射荧光扩展到红光甚至近红外（NIR）区域，这对实际应用更有价值。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室3D打印摩擦器件组王晓龙研究员团队在非传统荧光水凝胶方面取得重要进展，发展了具有热致红色荧光特性的超分子水凝胶，在荧光成像与检测、金属离子识别以及软体驱动器等领域具有广泛的应用前景。
该团队受虾青素-蛋白质加热变色现象的启发，利用溶剂调控与相转化氢键重构相结合策略，在热驱动力下聚合物链间多个-C=O基团和N-H基团发生聚集，并在强氢键作用下形成稳定的团簇结构，此时由于-C=O基团和N-H基团不受外侧水分子氢键的影响，对每一个单元都可形成氢键D-A结构，有利于电子的电荷转移，空间相互作用增强，使得聚合物构象刚化从而产生红色荧光特性（图1）。
图1. 虾青素-蛋白质加热变性过程和受此启发的荧光水凝胶制备机理
？？？ 该荧光水凝胶在软体驱动器方面显示出良好的应用潜力。该团队设计并制造了一种仿生荧光水凝胶水母机器人，在电机驱动下该荧光水母机器人可在水下游动，表现出良好的机械性能（图2）。
图2. 荧光水凝胶仿生驱动器
该研究发现了离域化氢键D-A团簇结构能实现长波长CTE效应，发展一种极其简单的策略制备出具有优异力学性能的红色荧光超分子水凝胶。该方法还具有合成路线短、低成本、绿色及操作简单等优势，为非传统荧光水凝胶的设计增添了新的策略。
相关研究成果以“Multiple hydrogen-bonding induced nonconventional red fluorescence emission in hydrogels”为题，发表在Nature Communications（Nat. Commun. 2024, 15, 3482, https://doi.org/10.1038/s41467-024-47880-7，https://rdcu.be/dFIwv）上。石河子大学博士生吴家宇为论文第一作者，兰州化物所王晓龙研究员和蒋盼博士（现于法国 Institut Jacques Monod 从事博士后研究工作）为本文通讯作者。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项（B类）、中国科学院“西部之光”创新团队和兰州化物所重点培育项目等的支持。
来源：润滑材料重点实验室
