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大連理工牛文斌教授 CEJ：動態(tài)變色的超穩(wěn)定視覺-數(shù)字輸出光子Vitrimer器件
2022-09-13  來源：高分子科技

  具有力學(xué)響應(yīng)功能的柔性可拉伸電子器件因其可作為一種智能可穿戴設(shè)備而得到了廣泛關(guān)注。但在實際使用過程中，不規(guī)則和重復(fù)的機械變形可能導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)意外損傷，嚴(yán)重縮短使用壽命。另一方面，傳統(tǒng)的可拉伸電子器件普遍受到單一電信號輸出的限制，導(dǎo)致外界刺激無法被人眼直觀地可視化，限制了其在可視化智能人機交互中的多樣化應(yīng)用。


  近期，大連理工大學(xué)張淑芬團隊牛文斌教授通過協(xié)同光子晶體（PC）和壓阻式碳織物（CCT）在Vitrimer中的結(jié)構(gòu)演變，構(gòu)建了一種新型的具有自愈合和超穩(wěn)定視覺-數(shù)字輸出的光子Vitrimer電子器件（PVBEs），并展示了它在無線可視化可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用（圖1）。該工作以“Photonic Vitrimer-based Electronics with Self-Healing and Ultrastable Visual-Digital Outputs for Wireless Strain Sensing”發(fā)表在Chemical Engineering Journal上，文章第一作者是大連理工大學(xué)博士生趙凱。 


圖1 PVBE的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用示意圖


  首先，通過聚四氫呋喃（PTMG）、聚1,4-丁二醇雙(4-氨基苯甲酸酯)（PBDAB）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和甘油（GLY）之間的縮聚反應(yīng)合成了一系列新型的Vitrimer彈性體（圖2）。由于共價網(wǎng)絡(luò)的強健性和高溫下氨酯鍵的動態(tài)交換能力，它們不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能（>968%，3.6 MPa）和滯后可忽略的機械回彈性，而且具有93%的自修復(fù)效率。其次，利用光子帶隙和動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，在Vitrimer彈性體中嵌入三維PC結(jié)構(gòu)，制備了光子彈性體（PE）（圖3）。它不僅具有較強的機械強度（4.7 MPa）和明亮的結(jié)構(gòu)顏色，而且具有良好的機械性能和光學(xué)功能的自修復(fù)性（圖4）。


圖2 Vitrimer彈性體的合成與性能 


圖3 PVBE的制備與表征


 圖4 PVBE光學(xué)功能的自修復(fù)性


  進一步，通過控制彈性體變形引起的PC和CCT的同步結(jié)構(gòu)變化，制備得到了PVBE。它們表現(xiàn)出卓越的機電和機械變色性能，包括同步電/光響應(yīng) (0.25 s)，高靈敏度(靈敏度系數(shù)，GF = 10.3)，優(yōu)異的耐久性(>10000次循環(huán))。最重要的是，Vitrimer內(nèi)部的動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)使其具有光學(xué)功能的自愈能力，而獨特的全嵌入結(jié)構(gòu)使其電學(xué)響應(yīng)功能得以長期穩(wěn)定（圖5）。


圖5 PVBE的電學(xué)響應(yīng)性能和原理


  最后，基于這些優(yōu)點，結(jié)合無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計了一種基于PVBE的無線可視化傳感器。結(jié)果表明，該裝置可通過光電雙信號反饋實時監(jiān)測人體大動作（如腕關(guān)節(jié)彎曲）和細微動作（如臉頰鼓脹），實現(xiàn)遠程精確的視覺-數(shù)字輸出。與傳統(tǒng)儀器相比，該儀器具有遙感、可視化直觀、設(shè)備體積小、數(shù)據(jù)采集方便、高效等特點（圖6）。 


圖6 基于PVBE的無線傳感系統(tǒng)


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138285

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