南京邮电大学黄维、陶冶团队与合作者 Angew:纳米限域工程构筑多色余辉水凝胶 - 实现时空加密与病原体清除

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近日，南京邮电大学黄维院士、陶冶教授团队联合南京大学医学院附属口腔医院董衡教授团队、温州医科大学附属衢州医院洪广亮教授团队，提出一种纳米限域工程策略，通过将刚性氢键超分子发光框架嵌入水凝胶网络，成功构筑出兼具高效发光、超长寿命和高强韧性的多色余辉水凝胶。

2026年4月17日，相关成果以Nanoconfinement Enabled High-Efficiency and Long-Lifetime Multicolor Afterglow Hydrogels for Advanced Spatiotemporal Encryption and Pathogen Eradication为题发表在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

图1：多色余辉水凝胶的设计示意图

该策略以三聚氰胺和氰尿酸构筑二维氢键超分子框架，再将不同发光分子嵌入其中，最终引入PAM/PVP水凝胶网络中。这样构建的超分子限域微环境，一方面能够有效限制发光分子的运动、抑制非辐射衰减并削弱水和氧对三线态激子的猝灭；另一方面，刚性框架还可作为应力耗散节点增强聚合物网络，从而显著提升材料力学强度和循环稳定性。基于这一设计，他们成功构筑了三种多色余辉水凝胶，分别呈现深蓝、青绿和橙红余辉发射。实验结果表明，该体系的余辉寿命最高达到2535 ms，总光致发光量子产率最高超过29.4%，在同类余辉水凝胶中表现突出。更重要的是，这些水凝胶在保持优异发光性能的同时，仍具备出色的机械韧性：断裂应变接近1400%，压缩强度最高可达7.7 MPa，并在反复形变循环中保持较好的结构与发光稳定性。

图2：多色余辉水凝胶的光物理性能

图3：余辉水凝胶的机械性能

依托不同水凝胶在发光颜色和衰减动力学上的差异，研究团队进一步构建了基于二阶魔方的时空分辨信息加密系统。材料在激发光照射下呈现模糊信息，而在撤去光源后，不同单元会在不同时间窗口显示出差异化余辉信号。通过采集0 s、2 s 和 5 s 三个时间点的发光图像，并结合空间位置编码，可实现多维信息的隐藏、拆分和准确解码。每一帧单独读取时都具有非正确性，只有综合多个时间维度信息后，才能恢复真实编码内容，体现出该体系在高安全级别信息加密中的应用潜力。

图4：多维信息加密

除了信息加密，这类余辉水凝胶还具备重要的生物医用潜力。由于材料能够高效产生长寿命三线态激子，因此在光照下高效敏化产生单线态氧，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出接近99.9%的杀菌效率。团队进一步将其中一种橙红余辉水凝胶制备为微针贴片，并用于感染创面模型治疗。结果表明，该材料能够显著促进伤口闭合、降低炎症水平并加快组织再生，展现出良好的感染创面治疗前景。

图5：体内抗菌

总结

该研究工作在先前的研究基础上（npj Flexible Electronics2025, 9, 8）突破了传统有机余辉水凝胶发光效率、寿命与力学性能难以兼顾的核心瓶颈，建立了多功能余辉软材料的普适性设计平台，为有机余辉材料在先进光学信息安全、柔性光电器件、生物医用治疗、软物质光子学等领域的应用开辟了全新路径。

论文信息

Nanoconfinement Enabled High-Efficiency and Long-Lifetime Multicolor Afterglow Hydrogels for Advanced Spatiotemporal Encryption and Pathogen Eradication

Shuman Zhang, Xiaoye Li, Xiaolong Liu, Jiaxin Chen, Yixin Ouyang, Zhisheng Gao, Huanhuan Li, Hui Li, Gaozhan Xie, Ye Tao, Heng Dong, Runfeng Chen, Wei Huang, Guangliang Hong

https://doi.org/10.1002/anie.3224418