基于苯乙烯基芘二聚体的机械力诱导荧光高分子的研究

Mechanoluminescent polymers, which can convert mechanical force into visualized signals, are considered as a versatile spectroscopic probe capable of sensing and mapping deformations, stresses and damage in different polymer architectures in the microscopic molecular level. It is of great significance in the field of polymer materials. Styrylpyrene (SP) with bright fluorescence emission, can undergo [2+2] cycloaddition under visible light to give styrylpyrene dimer (SPD). In this project, SPD, with the ring tension and excellent spectral characteristics, will be covalently enbeded into polymer chains. And the cycloreversion of SPD in polymer chains will be studied under sonication. The bright fluorescence signal of SP generated under mechanical force can be used to sensitively detect the rupture of polymer chains, so as to establish a new type of mechanically-induced fluorescent polymers system. Furthermore, with the help of spectral changes, SPD will be introduced into micelles and elastomers to detect the damage of polymers under various kinds of mechanical forces. This project will provide better understanding of force conduction and transformation in polymers, and expand new sight of the development of sensitive fluorescent stress sensor in the field of self-reporting materials and self-healing materials.

机械力诱导发光高分子，可将微观化学键变化与宏观可视化信号建立起定性或定量的关系，从微观分子水平检测聚合物材料的损伤，在高分子材料领域具有重要意义。具有明亮荧光发射的苯乙烯基芘（SP）在可见光照下可以发生[2+2]环加成得到苯乙烯基芘二聚体（SPD）。基于SPD的环张力和优异的光谱特性，本项目拟将SPD以共价键的形式引入高分子主链，研究聚合物在稀溶液超声条件下SPD的裂环反应。借助机械力作用下裂环产物SP的明亮荧光信号，灵敏地检测聚合物链的断裂情况，从而建立新型机械力诱导荧光高分子体系。将SPD引入胶束和弹性体中，借助其灵敏可逆的光谱变化，应用于不同机械力作用下材料的损伤探测。该项目预期加深对高分子链内机械力传导与转化的认识，为灵敏的机械力荧光探针在自预警自修复材料中的应用提供新思路。

在国家自然科学基金委青年项目（21905200）的资助下，针对目前力响应高分子的种类少、力响应构效关系还需进一步明确、力诱导发光的应用还较为局限等问题，项目开展了具有灵敏响应的新型机械力诱导发光聚合物的合成，拓展其在高分子力学探针方面的应用。在以下三个方面开展研究工作并取得一定成果：. 1. 新型力响应聚合物体系及其溶液超声响应性研究：通过化学结构的控制，合成了两类新型力响应高分子，系统研究其溶液超声诱导化学反应和力响应动力学，得到了新型超声诱导荧光聚合物材料，丰富了力响应基元的种类，为进一步发展高性能和多功能力诱导发光聚合物奠定理论基础。. 2. 具有灵敏可视化信号的力响应聚合物材料研发：发展提高力诱导发光高分子响应灵敏度的新方法，研究了材料分子结构对机械力诱导发光的影响规律；研发了三种具有灵敏可视化信号输出的力响应材料，阐述了本体材料中力传导模式、力诱导化学演变中的相关问题，有助于推动机械力响应性高分子材料在力学损伤监测方面的发展和应用。. 3. 力诱导发光聚合物在应力损伤监测方面应用：探索力诱导发光材料在应力探针和损伤探测方面的基础应用。借助力诱导发光的手段，建立了分子水平监测高分子复合材料和多相高分子材料损伤的研究新方法；阐述了强韧化高分子纳米复合材料在拉伸过程中的应力分布和损伤机理；拓展机械力响应高分子作为应力探针在非均相聚合物材料中损伤探测中的应用。. 项目执行期间，发表学术论文5篇（ACS Macro Letters两篇，Macromolecular Rapid Communications一篇，Polymer Chemistry一篇，Chinese Journal of Polymer Science一篇），授权中国发明专利两项，培养硕士研究生两名。积极参加全国高分子学术论文报告会、全国高分子材料科学与工程研讨会等学术会议并做报告交流研究成果。