麻省理工学院的研究人员开发出一类材料，能够发出颜色精确可控的光，甚至可以发出纯白光，且其发光输出可调节，以响应多种外部条件。这类材料可用于检测化学和生物化合物，或用于检测机械和热学条件。
该材料是一种利用稀土元素制成的金属聚合物凝胶，相关论文发表于 《美国化学会志》 ，作者为材料科学与工程系助理教授尼尔斯·霍尔滕-安德森（Niels Holten-Andersen）、博士后陈攀宽（Pangkuan Chen），以及研究生李巧楚（Qiaochu Li）和斯科特·格林迪（Scott Grindy）。
这种发光镧系金属凝胶可通过化学方式调节，以响应化学、机械或热刺激而发光，从而有望提供可见信号，指示某种特定物质或状况的存在。
霍尔滕-安德森解释说，这种新材料属于仿生材料研究的一部分。“我的研究方向是仿生学，即借鉴自然界的巧妙手段来设计受生物启发的聚合物。”他说。他表示，海洋中生存着种类繁多、“非常奇特”的生物，并补充道：“在从化学和力学角度理解它们的构造方面，我们几乎还只是刚刚触及表面。”
他补充说，研究这些历经数百万年演化、以适应严苛环境条件的天然材料，“使我们作为工程师能够推导出设计原则”，这些原则可应用于其他类型的材料。
霍尔滕-安德森自己的研究考察了贻贝用于将自身固定在岩石上的足丝中的一种特定交联方式，称为金属配位键。他补充说，这些键在许多生物功能中也发挥着重要作用，例如使血红蛋白在红细胞中结合氧气。
他强调，其目的并非复制自然，而是理解并应用天然材料的一些基本原理；在某些情况下，这些原理可以应用于结构比天然对应物更简单、更易于制备的材料中。
在本研究中，使用一种被称为镧系元素（又称稀土元素）的金属，并将其与广泛使用的聚乙二醇（PEG）聚合物相结合，制得一种可调节的多色发光材料。发光随后可反映环境中极其细微的变化，并以颜色编码的方式呈现这些条件的细节。
“它对外部参数极其敏感，”霍尔滕-安德森说。“无论你做什么，都会改变键的动力学，进而改变颜色。”
例如，这些材料可以经过设计，用于检测特定污染物、毒素或病原体，检测结果仅通过颜色发光即可即时看到。
他说，这些材料也能检测机械变化，可用于探测机械系统中的应力。例如，他表示，测量流体中的作用力十分困难，而这种方法可以为此提供一种灵敏的手段。
这种材料可以制成凝胶、薄膜或涂层，并施加于各类结构表面，有望在故障发生之前显示其正在形成。
霍尔滕-安德森此前还开展过聚合物中金属配位键的其他研究：在另一 篇论文 中（该文于8月31日发表，刊载于期刊 《自然·材料》上），他报告称已制备出力学性能可调（包括刚度可调）的聚合物。他表示，这些材料天然具有自组装和自修复能力，可用作能量吸收材料，或用于需要承受冲击而不破裂的生物植入物。
“这些材料的优势在于，它们能够对如此广泛而丰富的刺激作出颜色变化，”未参与本研究的杜克大学化学教授斯蒂芬·克雷格（Stephen Craig）表示。他补充道：“参考状态可以呈现为白色，这一点相当有用。例如，用肉眼通常更容易察觉某物带有淡淡的绿色色调，而不是分辨它是这种绿色还是另一种绿色。”
克雷格认为这类材料有多种潜在用途。“我可以设想将这些或类似材料用作多种条件的原位监测器，”他说。他还补充道，由于“此处所用的核心水凝胶支架在生物学和基础聚合物物理学问题的研究中极为普遍”，该技术的实际应用可能因此更为便利。
本研究得到麻省理工学院能源计划（MIT Energy Initiative）的支持，并通过海洋利用多尔蒂教授职位获得麻省理工学院海洋资助计划（MIT Sea Grant）的资助。
本文与 MIT News合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认可文中观点。
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作者：大卫·L·钱德勒（David L. Chandler）是一名自由撰稿的科学作家。
图片：麻省理工学院团队制备的发光材料在紫外光下展示，发出不同颜色的光，其颜色可因环境条件而改变。这些发光珠由材料科学与工程专业学生Caroline Liu和Rebecca Gallivan制作。照片/Tara Fadenrecht
