溫度監測在環境管理和工業過程控制中至關重要。盡管市售的玻璃溫度計和電子傳感器(如電阻溫度計和熱電偶)被廣泛使用，但它們都局限于點式溫度測量，即只能反映待測物某一點的溫度。而具時空溫度分辨功能的分布式光纖溫度傳感器通常需要復雜的耦合電路，生產工藝復雜，尺寸大，靈活性差，難以廣泛使用。熒光技術為溫度的時空分辨可視化提供了一種簡單、準確、易讀的方法。通常，含有溫度響應熒光探針和聚合物基質的熒光材料可以在紫外非接觸控制下將溫度信號轉換為光學信號讀出，無需外部電路或多個復雜的納米加工步驟。然而，當前研制的熒光溫度傳感器依然依賴于發射強度相關的測量，這種測量依賴于激發功率和探測器靈敏度，或者發射最大值的微小變化，不適合在寬溫度范圍內進行直接觀測。此外，以往的研究多集中在物理共混體系上，熒光探針會出現一定的信號滯后，導致靈敏度與準確性下降。因此，將熒光探針通過共價鍵聯到聚合物鏈上，基于聚合物鏈運動對環境的溫度高度依賴性，設計“三合一”合成策略，開發了一種新型綠色可降解的二氧化碳(CO2)聚合物基AIEgen光纖溫度計，對溫度監測技術的發展和應用具有重要意義。
圖1 利用具有三合一功能(AIE活性、鏈轉移劑和助催化劑)的AIE功能化鏈轉移助催化劑（ACC）可控合成熒光標記CO2基光纖溫度計, 實現分布式溫度的高效可視化。
特定位點官能化（在鏈的末端或中間）是賦予聚合物獨特性質的有效方法。在已開發的活性/可控聚合技術中，不死聚合技術可用于合成特定位點官能化聚合物，其聚合物的結構和分子量可通過功能化鏈轉移劑進行有效調節，然而，含有活性氫的鏈轉移劑對催化劑體系的耐受性有嚴格的要求，可能導致不理想的官能化效果。為了克服上述缺點，本工作提出了一種“三合一”的策略，設計合成了AIE功能化鏈轉移助催化劑（ACC）。 "三合一 "策略的關鍵設計在于將AIE特性、鏈轉移和助催化整合到ACC中，具體如下：(i) ACC中的AIE單元（四苯基乙烯）在改變外部溫度時提供熒光反饋。(ii)羥基可作為鏈轉移位點，用于AIE基聚合物的可控合成。(iii)正吡啶基不僅可作為助催化劑促進二氧化碳和環氧丙烷的共聚，還可作為受體提供AIEgen的扭曲分子內電荷轉移(TICT)特性，在刺激下誘導發射顏色的變化。結果表明，成功合成了結構清晰、分子量分布窄的AIEgen末端標記PPC（AIE-PPC）。基于PPC鏈端AIEgen單元的TICT效應，溫度信息被轉化為各種熒光顏色，可直接進行肉眼觀察。
圖2 鋁卟啉配合物(CAT)與“三合一”ACC催化體系下的CO2與環氧丙烷共聚反應性能及產物表征。
圖3 AIE-PPC的熱致變色效應
圖4 熒光纖維溫度計及其溫度傳感應用
另外，AIE-PPC纖維還可以作為內置熒光溫度計，用于氣凝膠內部的空間溫度梯度測量，以評估氣凝膠隔熱材料的性能 (圖4d)。將AIE-PPC熒光纖維插入氣凝膠中，在氣凝膠單側進行加熱以制造溫度差，纖維熒光圖像顯示了氣凝膠內部的一維空間溫度分布，從左(高溫)到右(低溫)顯示了明顯的溫度差(圖4e)，提供了使用其他技術無法獲得的關鍵溫度信息。AIE-PPC纖維溫度計的另一個獨特優勢是，纖維可組裝成不同的宏觀結構，評估二維溫度梯度。如將連續的AIE-PPC纖維纏繞在金屬棒上形成溫度計(圖4f)，插入油浴鍋中以檢測液體內實時溫度。由于裝置是在未攪拌的情況下底部進行加熱，因此產生了很明顯的不均勻溫度分布。通過熒光圖像分析，可以觀察到沿纖維軸向的溫度梯度及沿纖維徑向的不均勻溫度分布，并可以精確地獲得纖維溫度計上每個點對應的溫度值。這些應用使得AIE-PPC纖維溫度計在各種涉及溫度梯度分布測量的應用中具有潛在的應用價值。此外，此類光纖溫度計可在自然條件下降解為環保的水和CO2，從而避免了一次性使用可能造成的環境污染問題。他們預期這種CO2基聚合物的溫度可視化技術以及多樣化的器件配置，將為環境管理和工業過程控制領域的一系列溫度監測應用帶來眾多新機遇。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.macromol.3c00911
