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河北科大余旭东教授课题组 Small：一种电致荧光变色普适性策略 - 稀土凝胶的“记忆-遗忘”行为用于信息安全

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-15 12:00

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传统信息存储材料（如形状记忆聚合物、相变材料）依赖外部刺激触发固定响应，缺乏生物系统中动态 “ 记忆 - 遗忘 ” 的自适应能力。人脑通过快速编码与缓慢遗忘的动力学差异实现高效信息处理，但如何在人工材料中模拟这一非平衡过程仍极具挑战。近年来，水凝胶因其软物质特性与生物相容性，在柔性电子、传感器和光学加密领域备受关注，但其动态响应与自修复功能的结合仍待突破。

图 1 一种协同化学反应驱动的、时空可控的电致荧光变色普适性策略——稀土凝胶的“记忆 - 遗忘”行为用于信息安全

受人类大脑动态记忆机制的启发， 河北科技大学余旭东教授团队 开发了一种基于铕离子（ Eu ³⁺ ）的智能金属凝胶材料，通过电化学刺激与扩散动力学的协同作用，实现了荧光颜色从蓝色到红色的可逆时空调控，并展现出仿生“记忆 - 遗忘”行为。该材料结合聚丙烯酸（ PAA ）与吡啶衍生物的酸碱响应特性，通过电解水生成氢气触发β - 二酮配体结构转变，进而调控 Eu ³⁺ 的荧光发射。实验表明，材料的荧光强度与消失时间可通过电压、组分比例和网络结构精准调节，为多级信息加密、动态自擦除和可编程防伪提供了创新解决方案。该工作以 “A Universal Strategy for Reversible and Spatiotemporal Electrofluorochromism of Eu ³⁺ Metallogels Driven by Cooperative Chemical Reactions with Biomimetic Information “Memorizing-forgetting” Behavior” 为题目发表于《 Small 》上。

材料设计与关键创新

河北科技大学余旭东教授团队创新性提出基于电驱动的化学反应 - 配位模式转化协同驱动的动态凝胶界面构筑策略，设计了具有普适性的荧光可时空调控的 Eu ³⁺ 基水凝胶体系，利用其可逆的电致荧光变色特性成功实现了信息 " 记忆 - 遗忘 " 功能的智能可逆调控。在外加电场作用下，电解水效应导致的局部 pH 值升高引发了分子内酮 - 烯醇互变异构和吡啶 - 羧酸之间的氢键破坏，进而诱导 Eu ³⁺ 的配位环境重构，产生蓝光到红光的变化。撤去外加电场作用后，聚丙烯酸分子梯度驱动的自主质子迁移引发了体系 pH 值弛豫致使 Eu ³⁺ 配位环境回到原始态，进而导致红色荧光消失（图 2b ）。这种非平衡态动力学过程使得信息可多次重复写入和擦除，最终建立了 " 电场刺激 - 化学响应 - 结构重构 - 信号输出 - 阅后自焚 " 五位一体的信息记忆 - 擦除过程。

图 2 基于非平衡过程设计的显示信息遗忘功能的记忆材料

应用前景：动态信息加密与防伪

研究团队展示了凝胶在信息加密中的独特优势，通过调节吡啶衍生物种类（图 2 ），荧光消失时间可在 15~960 分钟间精确设定（图 3 ） ; 在空间维度上，利用电极局部刺激，在凝胶表面写入图案（如字母 “ HEBUST ” ），断电后信息分层消退。

图 3 信息加密系统所使用的三种吡啶、联吡啶、吡啶和苯甲酸衍生物的化学结构

河北科大余旭东教授课题组 Small：一种电致荧光变色普适性策略 - 稀土凝胶的“记忆-遗忘”行为用于信息安全

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