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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隊 Nano Lett.: 纖維素納米晶光電雙響應傳感凝膠
2025-02-11  來源：高分子科技

  隨著微納制造技術的不斷發(fā)展，可穿戴設備的研發(fā)和應用迅速拓展。其中，機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器人等領域的顯著進展而備受關注。機械變色材料能夠將不可見的壓力刺激轉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，從而實現電學和視覺傳感的雙重反饋，提高傳感的精確度和可視性。由光子晶體產生的結構色提供了一種穩(wěn)定可調的著色方法，嵌入彈性體中的光子晶體可以通過機械形變動態(tài)調控顏色，展現出復合材料在自報告?zhèn)鞲袘弥械闹匾獙嵱脙r值。



  煙臺先進材料與綠色制造山東省實驗室（簡稱“黃渤海實驗室”）生物質基復合材料創(chuàng)制團隊長期開展纖維素、木質素等生物質材料的高值化應用研究。近期，團隊開發(fā)了基于纖維素納米晶（CNCs）和聚乙烯醇（PVA）的機械刺激凝膠傳感材料。PVA網絡的均勻滲透增強了材料的堅固性和操作可控性，其中獨特的三明治結構將光學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，其交互式光學和電反饋的雙信號響應特性，能夠通過顏色的直觀變化檢測動態(tài)拉伸和壓縮應變，及識別手指彎曲動作和特定口語詞匯，展現出其在人體健康監(jiān)測和應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復合薄膜的性質（a）UV-vis光譜；（b）相機拍攝照片；（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層中實現內外PVA交織的相關數據（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）中對應凝膠經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據，詳見文本；（h）凝膠結構解析


圖4 凝膠材料拉伸動作下的光學及電信號變化展示（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光譜及結構變化示意圖；（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）壓縮前后的結構變化示意圖；（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基金、山東省優(yōu)秀青年科學基金（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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（責任編輯：xu）
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