力致变色基团是一类力敏感分子，连接到高分子材料中时，在外力作用下可以发生特定的共价键演变。这类力致响应材料的一个通病是大多数这类基于化学键断裂力致变色基团的材料表现出很大的滞后性及不可逆性，极大地限制了这类材料的发展和实际应用。如果能够开发出响应速度更快且具有可逆力响应的新型力致变色基团，将会对此领域的突破做出巨大贡献。

近日，UIUC的Jeffrey Moore院士和Nancy Sottos课题组在Cell杂志社旗下新星旗舰期刊《Chem》上发表了一篇题为《Fast, reversible mechanochromism of regioisomeric oxazine mechanophores: Developing in situ responsive force probes for polymeric materials》的文章，介绍了课题组新开发的一种基于苯并噁嗪结构的力致变色分子探针，用于弹性体膜的可逆应力检测。这种新报道的苯并噁嗪分子探针与传统的相比具有非常快速的可逆响应，比螺吡喃快出几个数量级，热响应回复速度达到纳秒至微秒级别！

视频1：基于苯并噁嗪的可逆快速力致变色高分子材料

恶嗪衍生物是指含有一个氧原子和一个氮原子的双不饱和六元杂环化合物，其中1，3-苯并噁嗪中六元杂环上的氧-碳-氮键在加热条件下可以发生开环聚合，形成聚苯并噁嗪——一种增强型的耐热阻燃热固性酚醛树脂。此外，很多常简的荧光染色剂中也含有苯并噁嗪的结构，如尼罗红。

图1. 聚（1，3-苯并噁嗪）的形成

图2. 尼罗红的化学结构式

作为一篇化学合成类的论文，本文的分子设计最值得称道。

本文作者参考了螺吡喃的部分结构（本文作者Moore教授正是螺吡喃类力化学分子的先驱），利用吲哚基团为1，3-苯并噁嗪生色团提供氮原子，使得分子中苯并噁嗪结构仅发生开环而不聚合，并且在加热时可发生可逆反应，重新得到六元环结构，从而在弹性基底材料发生可逆形变时实现颜色的可逆转变，重复十次没有发现颜色疲劳！

图3. 本文报道的力致变色探针的分子设计与传统力致变色探针的对比

通过对螺吡喃和苯并噁嗪力致变色材料在变色过程中颜色RGB通道信号的对比发现螺吡喃的B/G比值只有在拉伸并保持一段时间的时候才慢慢开始增加，而新型苯并噁嗪材料的相同颜色通道比值在应变由0%增加到200%的过程中可以发生持续性增加。

图4. 不同力致变色材料的RGB通道信号变化对比

作者对这种新型苯并噁嗪力致变色生色团的分子设计可谓做到了极致，能想到的都做了。分子设计的全面性还体现作者研究了力作用点分别在4、5、6三个位置时得到的异构体在力致变色性能上的差别，并且与密度泛函理论（DFT）的计算结果相符合。

图5. 不同力作用位点生色团的DFT理论计算结果

图6. 硅氢加成反应制备新型力致变色弹性体

此外，本文的分子设计还具有非常好的延伸前景，具体体现在本文使用了硅氢加成化学来进行基底材料与力致变色基团的共聚，而并非以往常用的聚丙烯酸酯化学。硅氢加成聚合经常被用来制备液晶弹性体等柔性驱动器，得到的高分子材料主链异常柔顺，即便在主链或侧链引入大量结晶性的基团，材料往往都可以保持很好的柔韧性及弹性。基底高分子材料选择了PDMS（聚二甲基硅氧烷），这是在可变形柔性电子器件中使用非常广泛的基底材料，无论是力学性能还是生物相容性等都被实验和理论方面广泛研究，有着深刻的研究基础。这为今后将此类新型力致变色基团引入到更具功能性的高分子材料器件中提供了基础和无限的遐想。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.02.014

作者：Pei 来源：高分子科学前沿

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