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华南师范大学周国富教授团队《AFM》:可穿戴式应变/水响应液晶光子传感器,中国机械网,okmao.com
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华南师范大学周国富教授团队《AFM》:可穿戴式应变/水响应液晶光子传感器
2021年09月08日    阅读量:432    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

随着科学技术的发展,探索多重刺激响应性的光子传感器,在现有的体系中引入新的刺激响应性功能或者改善两种聚合物材料的现有性能,实现更复杂的功能,开发更高水平的应用,扩宽它们在实际应用的范围,是当前研究领域的一个重要趋势。由于主链胆甾型液晶聚合物具有光选择性反射和弹性性质,因此在响应性光子器件研究中具有很大优势,然而由于缺乏介晶侧基,难以在此类材料中引入新的响应性。


华南师范大学周国富教授团队提出了一种主链胆甾型液晶聚合物-聚(两性电解质)半互穿网络(SIPN)策略,以构筑可图案化的可逆应变-水刺激响应性光子传感器中国机械网okmao.com。该工作将主链胆甾型弹性体和感湿性聚(两性电解质)相互渗透以组成半互穿网络,不仅保留了主链聚合物的弹性和刺激响应性,还获得了第二聚合物的响应性。在可见光范围内,薄膜对机械应变和水表现出动态颜色调谐响应;该技术方法可以进一步扩展到主链液晶聚合物与其它响应聚合物的结合,为开发多重刺激响应智能材料提供了新思路。相关工作以“Wearable Optical Sensing of Strain and Humidity: a Patterned Dual-responsive Semi-Interpenetrating Network of a Cholesteric Main-chain Polymer and a Poly(ampholyte)”为题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。


主链胆甾型弹性体(CLCE)-聚(两性电解质)半互穿网络中,CLCE提供了力致变色与弹性性质,聚(两性电解质)网络提供了吸水/解吸能力;在接触水时,聚(两性电解质)吸水膨胀,弹性体中螺距增大反射颜色发生红移;而当施加应变时,薄膜径向收缩,螺距减小反射颜色发生蓝移;在干燥状态下和湿润状态下薄膜反射波长发生的移动量基本一致;此外,在相同的应变下,薄膜干湿状态之间的反射波长变化基本一致,由于水的存在而导致的红移稳定存在,且27%的应变量可以抵消水响应产生的红移量。此外,通过在不同温度下进行局部光聚合可以制备特定色彩鲜艳的清晰响应图像,将其安装在人体皮肤上,弯曲状态下图案能够迅速变为紫色甚至隐藏起来,接触到人体汗液则变为橙黄色,这在人体汗液监测和运动监测方面具有应用潜力。


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图1. A)用于制备双响应可穿戴光子传感器的材料化学结构式及其B)制备流程

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图2. 薄膜在不同状态下对不同应变的反射峰变化

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图3. A)图案化薄膜的制备方法;B)绿色箭头在接触水后变橙黄色,受到拉伸时变为紫色;C)蜜蜂图案在不同应变下的透射光谱图;D)蜜蜂图案对机械应变和在水下的颜色变化

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图4.蜜蜂图案可穿戴传感器;A)将蜜蜂图案光子薄膜安装在人体皮肤上的示意图;B)绿色“蜜蜂”分别在手臂弯曲与出汗时的颜色变化;C)将绿色“蜜蜂”附着在穿着黑色衣服的手臂上,可以清晰地看到“蜜蜂”随手臂逐渐弯曲隐藏起来。

小结:作者开发了一种基于主链胆甾型液晶弹性体与聚(两性电解质)的半互穿网络的双响应光子传感器。所使用的技术使薄膜在机械应变和水下颜色动态变化,具有非常高的灵敏度、可逆性和稳定性。通过分步光聚合可以设计色彩明显的图案,该薄膜材料极易附着在手腕、手臂等部位,更有希望被应用在新型传感和可穿戴光学设备的开发上。虽然这里仅展示了水和应变响应的组合,但该技术可以进一步扩展到主链液晶聚合物和其他响应聚合物的组合,以获得不同的多重刺激响应行为材料。

该论文的第一作者是华南师范大学华南先进光电子研究院硕士研究生石秀仪。该论文通讯作者荷兰籍Laurens T.de Haan教授自2019年起全职在华南师范大学工作。华南师范大学王耀教授与周国富教授为该论文共同通讯作者。华南师范大学为该工作第一完成单位。该研究得到了国家重点研发计划、广东省光信息材料与技术重点实验室、广州市科技计划、长江学者奖励计划和“111计划”等项目的支持和资助。


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