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煙臺黃渤海實驗室喬竹輝研究員和房震副研究員團(tuán)隊 Nano Lett.: 纖維素納米晶光電雙響應(yīng)傳感凝膠

2025-02-11 來源：高分子科技

隨著微納制造技術(shù)的不斷發(fā)展，可穿戴設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用迅速拓展。其中，機(jī)械變色材料和電子皮膚因其在運動監(jiān)測、生理信號檢測、疾病診斷以及軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的顯著進(jìn)展而備受關(guān)注。機(jī)械變色材料能夠?qū)⒉豢梢姷膲毫Υ碳まD(zhuǎn)化為直觀的視覺信號，為動態(tài)物理刺激提供即時有效指示，從而實現(xiàn)電學(xué)和視覺傳感的雙重反饋，提高傳感的精確度和可視性。由光子晶體產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色提供了一種穩(wěn)定可調(diào)的著色方法，嵌入彈性體中的光子晶體可以通過機(jī)械形變動態(tài)調(diào)控顏色，展現(xiàn)出復(fù)合材料在自報告?zhèn)鞲袘?yīng)用中的重要實用價值。

煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實驗室（簡稱“黃渤海實驗室”）生物質(zhì)基復(fù)合材料創(chuàng)制團(tuán)隊長期開展纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)材料的高值化應(yīng)用研究。近期，團(tuán)隊開發(fā)了基于纖維素納米晶（CNCs）和聚乙烯醇（PVA）的機(jī)械刺激凝膠傳感材料。PVA網(wǎng)絡(luò)的均勻滲透增強(qiáng)了材料的堅固性和操作可控性，其中獨特的三明治結(jié)構(gòu)將光學(xué)層與附加功能層分離，顯著提升了凝膠材料的兼容性和功能性。此外，其交互式光學(xué)和電反饋的雙信號響應(yīng)特性，能夠通過顏色的直觀變化檢測動態(tài)拉伸和壓縮應(yīng)變，及識別手指彎曲動作和特定口語詞匯，展現(xiàn)出其在人體健康監(jiān)測和應(yīng)變檢測中作為柔性雙信號傳感器的巨大潛力。

圖1 凝膠材料制備示意圖

圖2 顯色中間層CNC@PVA復(fù)合薄膜的性質(zhì)（a）UV-vis光譜；（b）相機(jī)拍攝照片；（c）橫截面掃描電鏡照片；（d）偏光顯微鏡照片

圖3 證明PVA/DMSO溶液中的PVA不僅起到外層包裹作用、而且部分滲入到CNC層中實現(xiàn)內(nèi)外PVA交織的相關(guān)數(shù)據(jù)（a）不同PVA共組裝比例的CNC薄膜制備的系列凝膠的偏光顯微鏡照片；（b）（a）中對應(yīng)凝膠經(jīng)過拉伸后的偏光顯微鏡照片；（c）后續(xù)實驗使用的凝膠的實拍照片；（d）該凝膠的橫截面掃描電鏡照片；（e）三明治不同層的放大照片；（f, g）系列控制變量實驗的數(shù)據(jù)，詳見文本；（h）凝膠結(jié)構(gòu)解析

圖4 凝膠材料拉伸動作下的光學(xué)及電信號變化展示（a–c）拉伸不同比例下的顏色變化、光譜及CIE圖；（d, e）拉伸前后2D XRD光譜及結(jié)構(gòu)變化示意圖；（f, g）拉伸不同比例下的電信號變化；（h, i）檢測手關(guān)節(jié)彎曲；（j）檢測部分發(fā)音和喉部動作

圖5 凝膠材料拉壓縮作下的光學(xué)及電信號變化展示（a–c）拉伸不同比例下的顏色變化、光譜及CIE圖；（d）壓縮前后的結(jié)構(gòu)變化示意圖；（e, f）檢測不同壓力；（g）檢測不同力度手部捏合動作

以上成果以“Mechanochromic and Conductive Gels Based on Cellulose Nanocrystals for Bioinspired Sensing”為題發(fā)表在Nano Letters期刊（中科院一區(qū)TOP，影響因子：9.6）上，盧笛助理研究員為論文的第一作者，房震副研究員及喬竹輝研究員為論文的共同通訊作者，煙臺先進(jìn)材料與綠色制造山東省實驗室為第一單位。以上工作得到了山東省自然科學(xué)基金、山東省優(yōu)秀青年科學(xué)基金（海外）和山東省實驗室項目等項目的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06047#

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