长春工业大学高光辉课题组：低成本、快速响应和可逆光致变色的水凝胶

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可穿戴设备为人工智能和便携式医疗器械的发展注入了新的活力。然而，目前可穿戴设备仍局限于传统的手表、眼镜等形态，其根本原因在于诸如显示器件和存储器件不能像皮肤一样同时实现柔性和可拉伸性。因此，人们广泛期待能够设计并制造低成本、柔性、可拉伸的显示器件。

日前，长春工业大学高光辉教授课题组通过使用低成本的原料和简单的制作工艺，成功的得到一种快速响应、精确可控的可逆光致变色水凝胶。这种水凝胶具有优良的光学性能，在显示材料和存储材料等方面具有潜在的应用价值。相关工作以Low-Cost, Rapidly Responsive, Controllable, andReversible Photochromic Hydrogel for Display and Storage为题发表在ACS Applied Materials &Interfaces上。

钼酸铵是一种在催化、冶金等领域广泛应用的重要化工产品，其成本低廉且易于获取。利用其在紫外光照射下能够发生颜色变化这一特性，作者制备了光致变色水凝胶。利用化学交联聚丙烯酰胺为主体，同时引入带有正电荷的结构单元，通过正电荷与钼酸铵负电荷之间的静电作用将钼酸铵固定在水凝胶网络。

图1：光致变色水凝胶性能展示

图2：光致变色水凝胶的变色性能

实验结果表明，这种水凝胶对紫外光有着优异的响应速度，最快仅需2秒即可发生显著的颜色变化。此外，光致变色的程度可以通过控制紫外光照射强度和时间而被精确控制，光照时间与变色程度之间符合函数关系。

图3：光致变色水凝胶的褪色性能

这种水凝胶通过与空气中氧气接触，在光致变色后能够实现褪色至完全透明。这一特性有利于实现材料的可擦写功能。其褪色速率可以通过调节外界温度而控制。

图4：光致变色水凝胶的图案显示功能

利用上述特性，作者实现了在水凝胶体系显示并擦除多种图案。水凝胶能够耐受多次的重复写入和擦除过程，且变色性能不发生改变。此外，将二维码等数字信息显示在水凝胶上，能够成功被智能手机设备所识别。上述结果展示了水凝胶在显示和存储等方面的应用潜力。

图5：光致变色水凝胶的图案显示功能

这种水凝胶除了具有光致变色特性外，还展示了优异的抗应力疲劳性能。其在50%应变下连续拉伸1000次后力学性能不会发生显著改变。表明这种光致变色水凝胶在复杂运动环境下仍能够保持材料性能的稳定，有助于其在柔性可穿戴设备方面的应用。

这种光致变色水凝胶的原料廉价易得，制备简单，具有大规模工业化生产的潜力，对未来柔性、可拉伸器件的设计和可穿戴设备的发展具有重要意义。

参考文献：

Yongqi Yang, Lin Guan, and Guanghui Gao, Low-Cost, Rapidly Responsive,Controllable, and Reversible Photochromic Hydrogel for Display and Storage, ACSApplied Materials & Interfaces, 2018, 10, 13975-13984.