本研究由Fang Peng, Yian Chen, Hongchen Liu, Pan Chen, Feng Peng, 和 Haisong Qi等作者共同完成，分别来自华南理工大学、中原工学院、北京理工大学和北京林业大学。该研究于2023年发表在Advanced Materials期刊上，题为《Color-Tunable, Excitation-Dependent, and Water Stimulus-Responsive Room-Temperature Phosphorescence Cellulose for Versatile Applications》。
研究的核心领域是室温磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）材料，特别是基于可持续聚合物（如纤维素）的智能响应材料。室温磷光材料因其长寿命、大斯托克斯位移和高信噪比特性，在细胞成像、信息加密、防伪和发光二极管（LED）显示等领域具有广泛的应用潜力。然而，现有的有机RTP材料大多依赖于刚性结构和共轭芳香体系，而天然聚合物（如纤维素）虽然具有可持续性和环境友好性，但其固有的发光性能较弱，难以满足实际应用需求。因此，本研究旨在通过设计一种基于纤维素的RTP材料，解决这一问题。
本研究的主要目标是开发一种基于纤维素的智能响应RTP材料，具备以下特性： 1. 颜色可调：通过引入不同的芳香基团，实现RTP发射颜色的调节。 2. 激发依赖性：材料的RTP发射颜色随激发波长的变化而变化。 3. 水刺激响应性：材料的RTP性能对水分敏感，能够在干湿刺激下重复响应。
研究通过Hantzsch反应合成了一系列带有1,4-二氢吡啶（DHP）环的纤维素衍生物。具体步骤如下： - 纤维素乙酰乙酸酯（CAA）的制备：通过均相酯化反应，将纤维素转化为CAA中间体。 - DHP环的引入：将带有醛基的芳香分子通过Hantzsch反应接枝到纤维素链上，形成CAA-DHP衍生物薄膜。 - 薄膜制备：通过调节醛基芳香分子的种类，制备了四种不同的CAA-DHP衍生物薄膜，分别命名为CAA-BP、CAA-NA、CAA-PH和CAA-PY。
研究通过多种手段对合成的材料进行了表征： - 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：确认了CAA中间体的成功酯化以及DHP环的形成。 - 核磁共振（NMR）：分析了CAA的乙酰乙酸酯取代度（DSCAA）以及DHP环的化学结构。 - X射线光电子能谱（XPS）：验证了DHP环中氮元素的存在。 - 紫外-可见光谱（UV-Vis）：研究了材料的吸收特性，确认了DHP环的共轭结构。
研究通过以下实验测试了材料的RTP性能： - 延迟发光光谱：测量了不同激发波长下的RTP发射光谱，发现材料的RTP颜色随激发波长的变化而变化。 - CIE色坐标分析：量化了RTP发射颜色的变化。 - 寿命测试：测量了RTP寿命，发现CAA-PH薄膜的RTP寿命最长，达到1251毫秒。
研究还测试了材料对水分的响应性： - 湿度影响：通过交替的湿/干刺激，研究了CAA-PH薄膜的RTP性能变化。结果表明，材料的RTP强度在湿度增加时显著下降，而在干燥后恢复。 - FTIR分析：通过FTIR光谱分析了水分对材料氢键结构的影响，揭示了水分导致RTP淬灭的机制。
本研究的科学价值在于： 1. 丰富了纤维素的光物理性质：通过引入DHP环和乙酰乙酸酯基团，成功实现了纤维素基材料的RTP发射，为可持续RTP材料的设计提供了新思路。 2. 智能响应材料的开发：材料的颜色可调、激发依赖性和水刺激响应性为信息加密、防伪和智能显示等应用提供了新的可能性。 3. 理论机制的深入探讨：通过理论计算和实验验证，揭示了DHP环的共轭结构和纤维素链的刚性环境对RTP性能的影响机制。
本研究通过创新的分子设计，成功开发了一种基于纤维素的智能响应RTP材料。该材料不仅具有颜色可调、激发依赖性和水刺激响应性，还表现出长寿命的RTP性能。这一研究为可持续RTP材料的开发提供了新的思路，并在信息加密、防伪和智能显示等领域展现出巨大的应用潜力。
这篇研究为可持续RTP材料的设计与应用开辟了新的方向，具有重要的科学意义和实际应用价值。