北京大学宛新华教授、张洁研究员Angew：新型高灵敏可逆机械力致变色弹性体问世

摘要：近年来，机械力致变色（MFC）材料在机械传感、生物医学探测等领域展现出广阔应用前景。然而，现有聚合物MFC材料往往难以同时实现高灵敏度与优异可逆性，且在多次循环使用后性能显著下降，严重限制了其实际应用。目前大多数MFC机制依赖于小分子发光团的化学键断裂、分子排

近年来，机械力致变色（MFC）材料在机械传感、生物医学探测等领域展现出广阔应用前景。然而，现有聚合物MFC材料往往难以同时实现高灵敏度与优异可逆性，且在多次循环使用后性能显著下降，严重限制了其实际应用。目前大多数MFC机制依赖于小分子发光团的化学键断裂、分子排列或构象变化，而基于聚合物本身构象转变的MFC机制尚未见报道。

北京大学宛新华教授、张洁研究员团队提出了一种基于聚苯乙炔（PPA）螺旋构象转变的新型MFC机制，成功制备出兼具高灵敏度与优异可逆性的MFC弹性体。该材料在受力时发生由荧光性的紧凑顺-顺式（cc）构象向非荧光性的松散顺-反式（ct）构象的可逆转变，从而实现荧光“开关”行为。通过将含乙烯基的PPA与聚二甲基硅氧烷（PDMS）共价交联，得到一系列弹性体，其中Vi-CP-0.01@PDMS-0.003表现出最优MFC性能，并在10次循环中保持稳定。相关论文以“Mechanofluorochromic Elastomers Based on Reversible Helical Transition of Poly(phenylacetylene)s”为题，发表在

Angew上，论文第一作者为 Kang Shu-Ming 。

示意图1. 基于聚苯乙炔螺旋构象转变的MFC弹性体示意图。

研究团队首先合成了带有乙烯基的螺旋PPA共聚物（Vi-CP-x），通过核磁、红外、拉曼、紫外-可见光谱和圆二色谱等手段证实其成功制备并保持cc构象与荧光特性（图1）。随后，通过硅氢加成反应将PPA共价交联至PDMS网络中，形成弹性体（图2a）。力学性能测试表明，适度交联可在不损害延展性的情况下提升材料模量，Vi-CP-0.01@PDMS-0.003的断裂伸长率最高达226%（图2c,d）。

图1. a) 不同组成的顺-顺式螺旋聚苯乙炔共聚物的合成及MFC弹性体制备流程。b) 具有顺-顺式螺旋构象的Vi-CP-x的圆二色（CD）和紫外-可见吸收光谱，以及c) 光致发光（PL）光谱（在CHCl₃中，浓度为10⁻⁵ M）。插图：Vi-CP-x的荧光图像。

图2. a) Vi-CP-0.01@PDMS-0.003弹性体的荧光与日光图像。b) 不同拉伸率下Vi-CP-0.01@PDMS-0.003的荧光图像。c) 不同乙烯基单元含量弹性体的应力-应变曲线，d) 不同PPA含量弹性体的应力-应变曲线（拉伸速率：1 mm/min）。

利用自主研发的原位拉伸-荧光测试装置，团队系统评估了不同交联密度下弹性体的MFC性能。结果显示，当乙烯基单元含量为1%、PPA添加量为0.3%时，材料在190%拉伸下荧光强度降低6.2倍，灵敏度最高（图3a–d）。进一步增加交联密度反而会降低灵敏度，因其限制了螺旋链段的伸展能力（图4a–c）。此外，尽管手性螺旋PPA对性能略有提升，但外消旋材料仍表现出类似行为。

图3. a) Vi-CP-0.01@PDMS-0.003在不同拉伸率下的PL光谱变化；b) 不同乙烯基单元含量弹性体的拉伸率与PL强度关系曲线（至少重复三次）；c) 不同乙烯基单元含量弹性体的拉伸应力与PL强度关系曲线（至少重复三次）；d) 不同乙烯基单元含量弹性体的MFC灵敏度关系曲线（至少重复三次）。

图4. a) 不同PPA含量弹性体的拉伸率与PL强度关系曲线（至少重复三次）；b) 不同PPA含量弹性体的拉伸应力与PL强度关系曲线（至少重复三次）；c) 不同Vi-CP-x含量弹性体的MFC灵敏度关系曲线（至少重复三次）。

为验证MFC机制源自PPA螺旋构象转变，团队通过紫外-可见光谱、圆二色谱和拉曼光谱监测拉伸过程中cc向ct的转变（图5a–c）。计算表明，在170%拉伸下ct构象含量达89.4%，荧光寿命测试也证实剩余荧光来自未完全转变的cc构象（图5d）。可逆性测试显示，该弹性体在10次拉伸-回复循环中荧光强度与构象变化均高度可逆（图6a–d），且存放一年后性能仍保持稳定（图7）。