大连理工牛文斌教授 CEJ：动态变色的超稳定视觉-数字输出光子Vitrimer器件

2022-09-13 来源：高分子科技

具有力学响应功能的柔性可拉伸电子器件因其可作为一种智能可穿戴设备而得到了广泛关注。但在实际使用过程中，不规则和重复的机械变形可能导致其结构出现意外损伤，严重缩短使用寿命。另一方面，传统的可拉伸电子器件普遍受到单一电信号输出的限制，导致外界刺激无法被人眼直观地可视化，限制了其在可视化智能人机交互中的多样化应用。

近期，大连理工大学张淑芬团队牛文斌教授通过协同光子晶体（PC）和压阻式碳织物（CCT）在Vitrimer中的结构演变，构建了一种新型的具有自愈合和超稳定视觉-数字输出的光子Vitrimer电子器件（PVBEs），并展示了它在无线可视化可穿戴设备中的应用（图1）。该工作以“Photonic Vitrimer-based Electronics with Self-Healing and Ultrastable Visual-Digital Outputs for Wireless Strain Sensing”发表在Chemical Engineering Journal上，文章第一作者是大连理工大学博士生赵凯。

图1 PVBE的结构与应用示意图

首先，通过聚四氢呋喃（PTMG）、聚1,4-丁二醇双(4-氨基苯甲酸酯)（PBDAB）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和甘油（GLY）之间的缩聚反应合成了一系列新型的Vitrimer弹性体（图2）。由于共价网络的强健性和高温下氨酯键的动态交换能力，它们不仅表现出优异的力学性能（>968%，3.6 MPa）和滞后可忽略的机械回弹性，而且具有93%的自修复效率。其次，利用光子带隙和动态共价网络的协同作用，在Vitrimer弹性体中嵌入三维PC结构，制备了光子弹性体（PE）（图3）。它不仅具有较强的机械强度（4.7 MPa）和明亮的结构颜色，而且具有良好的机械性能和光学功能的自修复性（图4）。

图2 Vitrimer弹性体的合成与性能

图3 PVBE的制备与表征

图4 PVBE光学功能的自修复性

进一步，通过控制弹性体变形引起的PC和CCT的同步结构变化，制备得到了PVBE。它们表现出卓越的机电和机械变色性能，包括同步电/光响应 (0.25 s)，高灵敏度(灵敏度系数，GF = 10.3)，优异的耐久性(>10000次循环)。最重要的是，Vitrimer内部的动态共价网络使其具有光学功能的自愈能力，而独特的全嵌入结构使其电学响应功能得以长期稳定（图5）。

图5 PVBE的电学响应性能和原理

最后，基于这些优点，结合无线传输系统设计了一种基于PVBE的无线可视化传感器。结果表明，该装置可通过光电双信号反馈实时监测人体大动作（如腕关节弯曲）和细微动作（如脸颊鼓胀），实现远程精确的视觉-数字输出。与传统仪器相比，该仪器具有遥感、可视化直观、设备体积小、数据采集方便、高效等特点（图6）。

图6 基于PVBE的无线传感系统

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138285

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（责任编辑：xu）

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