北航陈爱华教授《Small》：压电纳米发电机/液晶聚合物复合纤维用于可动态弯曲紫外通信器件

2022-07-28 来源：高分子科技

紫外光通信具有抗干扰和抗拦截的本征优势，是无线电静默条件下的重要通信方式之一。为了提升通信系统的便携性与集成能力，发展可穿戴柔性紫外传感器具有重要意义。目前，可穿戴类器件的构建主要是将光电半导体敏感元件集成到柔性基底上，由于两类材料间的弹性模量不匹配、表面能差异较大等问题，导致运动过程两种材料容易分离脱落，限制了其作为可穿戴设备在行走、奔跑等动态环境下的使用。交联液晶聚合物（Crosslinked Liquid Crystalline Polymers, CLCPs），或液晶弹性体（Liquid Crystalline Elastomers，LCEs），兼具高分子质量轻、比强度高、耐疲劳等优势，其液晶的有序结构还赋予了材料分子间的协同作用以及各向异性，极大地提高了材料对环境的刺激响应能力和响应速度，是构建本征柔性可穿戴电子产品的潜力材料。

北京航空航天大学陈爱华教授课题组长期致力于液晶聚合物及其智能器件的设计合成与应用研究。课题组设计了可溶液加工、具有紫外光/湿度双重响应的偶氮苯液晶弹性体，构建了复杂3D结构的偶氮苯液晶弹性体执行器，通过紫外光和湿度的协同作用实现了对微小物体的远程操控（Small 2019, 15, 1900110）。进一步地，通过静电纺丝技术制备了偶氮苯液晶聚合物/离子液体/聚氨酯弹性体复合织物，构建了具有光-力-电信号快速转换功能的高耐久性全柔性紫外传感/防护一体化器件，实现了按需式信息编码的紫外解锁和紫外输入（Nat. Commun. 2021, 12, 4875）。近日，在前期研究工作基础上，课题组在液晶弹性体复合体系中引入了压电纳米发电机，制备了偶氮苯液晶聚合物/离子液体/聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）取向复合织物ILCP/P(VDF-TrFE)，构建了具有高灵敏度的自驱动全柔性紫外传感器，实现了动态弯曲条件下的紫外通信，如图1所示。

图1.（a）可动态弯曲紫外通信系统的设计；（b）自驱动全柔性ILCP/P(VDF-TrFE)紫外传感器的制备工艺流程；（c）器件结构与传感原理示意图；（d）分子结构示意图；（e）纤维实物照片；（f）纤维偏光显微镜照片。复合织物通过压电效应和电阻效应的耦合作用，建立了更高效的光-力-电信号的转换机制，大大提高了紫外传感器的灵敏度和响应时间。ILCP/P(VDF-TrFE)器件具有190 ms的快速响应时间、10000次测试循环的稳定性和防水性，且无需外部电源工作，如图2所示。由于复合织物的本征柔性，动态弯曲对紫外探测器传感信号的影响有限。即使在2.5 Hz弯曲频率和200 m^-1曲率的动态条件下，该器件在1.0 mW·cm^-2紫外光下的性能变化（弯曲不敏感性）小于1%。

图2.（a）器件在不同紫外光强下的检测性能；（b）不同液晶含量的紫外检测性能拟合曲线；（c）10000次紫外开/关循环检测稳定性；（d）反转电极测试；（e）不同动态弯曲频率下的响应电流；（f）2.5 Hz动态弯曲频率下的紫外响应电流。

在此基础上，他们设计了可穿戴、弯曲不敏感的ASCII 编码电子器件，通过物联网技术展示了紫外通信应用，在动态弯曲条件下每个字符的打印速度为3.2 s，如图3所示。本工作中，精心设计的聚合物复合材料和信号转换机制显著提高了紫外传感器的灵敏度和动态下的可工作性，进一步拓展了功能高分子材料在紫外通信、信息加密、安全防护等相关领域的潜在应用。

图3. 紫外通信系统：（a）静态和（b-d）动态弯曲工作模式的实际工作过程照片。

该成果以题为“Bending-Insensitive Intrinsically Flexible Ultraviolet Encoding Devices Based on Piezoelectric Nanogenerator-Supplied Liquid Crystalline Polymer Fabrics” 发表在国际著名期刊《Small》上，北航为唯一通讯单位，文章第一作者为北航材料学院郑晓雄博士，通讯作者为陈爱华教授。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202639

下载：Bending-Insensitive Intrinsically Flexible Ultraviolet Encoding Devices Based on Piezoelectric Nanogenerator-Supplied Liquid Crystalline Polymer Fabrics

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（责任编辑：xu）

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