引言
想必大家都见过变色、隐形的魔术，其背后到底暗藏什么玄机呢？这与高分子材料有无关系呢？
答案是肯定的。高分子材料的独特物理化学性质，使得其在许多领域应用广泛。如魔术正是利用了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的变色性和透明性来达到表演效果。
01
概述
聚乙烯吡咯烷酮（PVP）又称聚维酮，是一种合成的水溶性高分子化合物，由N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）通过自由基聚合而成。它具有良好的生物相容性、化学稳定性、低毒性和低刺激性，以及较强的粘结能力。
图 1.N-乙烯基吡咯烷酮的聚合
1939年，德国化学家Walter Reppe在研究乙炔化学的过程中，首次成功合成了NVP。随后，他通过自由基聚合反应，将NVP聚合成（PVP）。
二战时候PVP 被用作血浆容量扩张剂 [1]。在 1950 年代，PVP 进入发胶市场，并取代虫胶树脂作为头发固定剂。后来，PVP 在制药 、生物医学 、化妆品和食品工业中发挥了重要作用。
不同品牌的聚维酮、聚维酮和交聚维酮的扫描电子显微镜 （SEM） 照片如图 2 所示[2]。
图 2.聚维酮及其衍生物的SEM照片：
（a） Kollidon 30
（b） Kollidon 90F
（c） Vivapharm PVP K30
（d） Kollidon VA 64
（e） Plasdone S-630
（f） Vivapharm PVP/VA 64
（g） Kollidon CL
（h） 多聚塑料酮 XL 10
（i） Vivapharm PVPP
02
变色魔术
在这个魔术中，魔术师将一透明液体缓慢倒入另一个空杯中，倒入瞬间，液体变为了酒红色，犹如一个水变成了诱人的红酒。
这个魔术其实是利用了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与碘发生化学反应，形成稳定络合物，但目前其结构和碘的释放方式尚不完全清楚，且PVP 和碘之间的相互作用还存在一些争议[3]。
溶液变色原因
颜色变化的本质：
1.光吸收特性改变： 络合物的形成改变了溶液的结构，导致对可见光的吸收范围发生变化。
从傅里叶变换红外 （FTIR） 光谱中可以找到证实卤素键合的进一步证据。1653 cm–1 处的吸收峰归因于 PVP 中羰基的拉伸振动。与碘络合后，峰移至 1637 cm–1，因为碘削弱了 C═O 键。
拉曼光谱是表征碘掺杂有机化合物的强大方法[4]。从图4B可以看出：PVPI 不仅包含以卤素键形式络合的 PVP-I2，还包含聚碘离子。
2.可见光吸收峰：PVP-I络合物在可见光区域具有吸收峰，特别是对蓝绿色光的吸收增强，使得溶液呈现出棕色或深褐色。
03
隐形墨水
PVP作为墨水的载体，与特定的热敏化合物混合，使得墨水在常温下无色透明，而在加热时显现颜色，从而实现文字或图案的隐形与显现。
聚乙烯吡咯烷酮（PVP）因其出色的分散性，为热敏材料在墨水中的均匀分布提供了一个稳定的载体。这种均匀分布不仅确保了墨水的一致性和可靠性，还有助于防止热敏材料在打印过程中的聚集或沉淀。
图6. 将 CNT 分散在水中，放置 1 天，右图中加入了PVP
此外，PVP的成膜性进一步增强了墨水的性能。当墨水被打印到纸张上时，PVP会在其表面形成一层均匀且具有保护性的薄膜。这层薄膜不仅能够防止热敏材料在常温条件下因吸湿或氧化而退化，而且还显著提高了墨水在不同基材上的附着力。这种增强的附着力确保了打印出的图像和文字的持久性和清晰度，即使在多变的环境条件下也能保持其完整性。因此，PVP不仅作为一种分散剂，而且作为一种保护剂和增强剂，对于热敏墨水的性能至关重要。
图7. 水滴在PET表面（右图加了5%PVP）
04
合成介电纳米复合材料
通过原位聚合技术，我们可以将聚合物活性剂PVP引入到BT颗粒表面，制备介电性能优异的PI纳米复合薄膜。PVP的引入显著提高了BT颗粒在PI基体中的分散均匀性，这不仅增强了界面极化效应，还显著提升了PI纳米复合薄膜的介电性能。
HRTEM （高分辨率）图像进一步显示 PVP、BT 颗粒在 PI 基体中的分散性优于 BT[5]。PVP、BT球形颗粒均匀分散在 PI 基体中，颗粒间距清晰，团聚少。表面涂覆 PVP 改性剂的 BT 颗粒赋予了 BT 颗粒与 PI 基体更好的相容性，从而提高了 BT 颗粒的分散性。PVP、BT 颗粒的均匀分布大大增加了PVP、BT颗粒与 PI 基体之间的表面接触面积，从而更大程度地增强了界面极化，增强了纳米复合薄膜的介电性能。
05
PVP水凝胶用于艺术品的修复
在对巴勃罗·毕加索的杰作《工作室》进行细致修复的过程中，修复团队采用了一种先进的水凝胶技术，这种技术结合了温和的清洁剂，能够安全而有效地去除画作表面的污垢和老化的清漆层，同时确保了底层珍贵艺术作品的完整性和原始风貌得到了最大程度的保护。
同样，在罗伊·利希滕施泰因的标志性作品《Whaam!》的修复工作中，专家们引入了一种新型清洁系统，该系统利用水凝胶的精确清洁能力，成功去除了画面上的污染物。
图 10.大理石标本与 H65 （a） 和 HMA （b） 凝胶接触 60 分钟前后的摄影图像。虚线方块包围了清理区域。
图像表明两种PVP半互穿网络水凝胶有一定的清洁效果，其中HMA 在去除铜污渍方面更强[6]。此外，与凝胶接触后，表面未观察到凝胶残留。说明清洁时候不会在表明留下残余，降低了对被清洁物品的影响，有利于保持原状。
参考文献
[1] Buhler V. Polyvinylpyrrolidone excipients for pharmaceuticals: povidone, crospovidone, and copovidone[M]. Springer, 2005.
[2] Kurakula M, Rao G S N K. Pharmaceutical assessment of polyvinylpyrrolidone (PVP): As excipient from conventional to controlled delivery systems with a spotlight on COVID-19 inhibition[J]. Journal of drug delivery science and technology, 2020, 60: 102046.
[3] Xu X, Guan Y. Investigating the complexation and release behaviors of iodine in Poly (vinylpyrrolidone)-Iodine systems through experimental and computational approaches[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2020, 59(52): 22667-22676.
[4] Das R S, Agrawal Y K. Raman spectroscopy: Recent advancements, techniques and applications[J]. Vibrational spectroscopy, 2011, 57(2): 163-176.
[5] Yang S K, Zhang Z X, Zhang A P, et al. Preparation and properties of polyimide dielectric nanocomposites containing polyvinylpyrrolidone chemically functionalized barium titanate by in‐situ synthesis compounding[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2022, 139(48): e53231.
[6] Tamburini G, Canevali C, Ferrario S, et al. Optimized semi-interpenetrated p (HEMA)/PVP hydrogels for artistic surface cleaning[J]. Materials, 2022, 15(19): 6739.
编辑：姜承志
校对：巩卫民、刘岱易、胡以寒、张泽梅
