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중국과학원 닝보(寧波) 재료기술 및 공정 연구소 연구팀은 센서 검출과 바이오닉스 구동 분야에서의 지능 형광 폴리머 하이드로겔 분자 재료 응용을 위한 지능 형광 폴리머 하이드로겔 분자 디자인과 재료 개발 분야에서 대량의 기반 연구를 실행하였으며 다양한 성과를 이룩함.
지능 형광 폴리머 하이드로겔(hydrogel)은 조절 가능한 발광 성능을 보유하고 있는 일종 폴리머 소프트 재료에 속하며, 3차원 폴리머 상호 연결 네트워크에 대량의 물 분자가 포함되어 있기 때문에 적합한 외계 자극을 받을 때 쉽게 주위의 수용액과 물질 교환이 발생되어 하이드로겔의 팽창 혹은 축소를 유도하는 동시에 발광 색상이나 강도의 뚜렷한 변화가 동반되기 때문에 바이오닉스 구동, 센서 검출, 정보 저장 암호화 등 분야에서 매우 큰 응용 잠재력을 보유하고 있음. 폴리머 하이드로겔의 구성 구조 디자인을 통해 형광 성능과 기타 성능(예를 들면, 자체 복구, 형태 메모리, 지능 구동 등)의 기능 협동을 실현하고 특정 응용 수요를 충족시키게끔 하는 것은 각별히 주목할 필요가 있는 핵심적인 과제가 되고 있는 상황임. 연구팀은 필터 종이를 기반으로 하여 일종 Hg²⁺반응 특성을 보유한 형광 폴리머 하이드로겔 복합 재료를 개발하였는데 동 재료의 필터 종이 모세 역할과 하이드로겔의 초(超) 친수 특성을 연동시켜 수용액과 식품 속 Hg²⁺에 대한 신속하고 정밀한 검출을 실현하였으며, 나프탈이미드(naphthalimide) 형광 홀(fluorophore)에 기반을 둔 일종 pH 반응성 폴리머 하이드로겔을 개발하였는데 동 폴리머 하이드로겔은 물 환경 pH 검출에 사용할 수 있을 뿐만 아니라 이온 염색 방법을 이용하여 하이드로겔 표면 형광 강도의 시간과 공간 제어를 실현하였음. 그 외에도 다양한 반응성 형광 폴리머 하이드로겔 기능 모듈의 초분자(supramolecule) 거시적 조립을 실행하는 방법을 이용하여 3D 복잡 구동-지능 변색 이중 기능 협동의 일종 바이오닉스 폴리머 하이드로겔 드라이버를 개발하는데 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 페릴렌 4포름산 기능화 젤라틴과 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 수용액에 대한 여러 차례의 냉동 및 해동 순환을 이용하여 높은 강도의 형광 폴리머 하이드로겔을 제조하였는데 동 형광 폴리머 하이드로겔은 전형적인 Fe3+ 유도의 형광 소광(fluorescence quenching)을 나타내며, Fe3+ 용액을 "잉크"로 사용하면 재료 위에 문자, 패턴 등 정보를 기록할 수 있는 것으로 나타났음. 그 외, 연구팀은 이번 연구를 통해 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)은 붕사(borax) 용액 속에서 쉽게 고 밀도의 동적 붕산염(borate) 결합을 형성할 수 있다는 점을 발견하였으며, 동 하이드로겔은 우수한 형태 메모리와 자체 복구 성능을 보유하고 있다는 점을 입증하였음. 연구팀은 이번 논문을 통해 "형광 폴리머 하이드로겔의 지능 형광 응답, 형태 메모리와 자체 복구 등 멀티 기능의 협동에 기반을 두고 3차원 정보 저장 암호화 응용을 실현할 수 있다"는 점을 강조하였음.

본 연구 성과는 Advanced Functional Materials 등에 공개됨.