烟台黄渤海实验室乔竹辉研究员和房震副研究员团队 Nano Lett.: 纤维素纳米晶光电双响应传感凝胶

2025-02-11 来源：高分子科技

随着微纳制造技术的不断发展，可穿戴设备的研发和应用迅速拓展。其中，机械变色材料和电子皮肤因其在运动监测、生理信号检测、疾病诊断以及软体机器人等领域的显著进展而备受关注。机械变色材料能够将不可见的压力刺激转化为直观的视觉信号，为动态物理刺激提供即时有效指示，从而实现电学和视觉传感的双重反馈，提高传感的精确度和可视性。由光子晶体产生的结构色提供了一种稳定可调的着色方法，嵌入弹性体中的光子晶体可以通过机械形变动态调控颜色，展现出复合材料在自报告传感应用中的重要实用价值。

烟台先进材料与绿色制造山东省实验室（简称“黄渤海实验室”）生物质基复合材料创制团队长期开展纤维素、木质素等生物质材料的高值化应用研究。近期，团队开发了基于纤维素纳米晶（CNCs）和聚乙烯醇（PVA）的机械刺激凝胶传感材料。PVA网络的均匀渗透增强了材料的坚固性和操作可控性，其中独特的三明治结构将光学层与附加功能层分离，显著提升了凝胶材料的兼容性和功能性。此外，其交互式光学和电反馈的双信号响应特性，能够通过颜色的直观变化检测动态拉伸和压缩应变，及识别手指弯曲动作和特定口语词汇，展现出其在人体健康监测和应变检测中作为柔性双信号传感器的巨大潜力。

图1 凝胶材料制备示意图

图2 显色中间层CNC@PVA复合薄膜的性质（a）UV-vis光谱；（b）相机拍摄照片；（c）横截面扫描电镜照片；（d）偏光显微镜照片

图3 证明PVA/DMSO溶液中的PVA不仅起到外层包裹作用、而且部分渗入到CNC层中实现内外PVA交织的相关数据（a）不同PVA共组装比例的CNC薄膜制备的系列凝胶的偏光显微镜照片；（b）（a）中对应凝胶经过拉伸后的偏光显微镜照片；（c）后续实验使用的凝胶的实拍照片；（d）该凝胶的横截面扫描电镜照片；（e）三明治不同层的放大照片；（f, g）系列控制变量实验的数据，详见文本；（h）凝胶结构解析

图4 凝胶材料拉伸动作下的光学及电信号变化展示（a–c）拉伸不同比例下的颜色变化、光谱及CIE图；（d, e）拉伸前后2D XRD光谱及结构变化示意图；（f, g）拉伸不同比例下的电信号变化；（h, i）检测手关节弯曲；（j）检测部分发音和喉部动作

图5 凝胶材料拉压缩作下的光学及电信号变化展示（a–c）拉伸不同比例下的颜色变化、光谱及CIE图；（d）压缩前后的结构变化示意图；（e, f）检测不同压力；（g）检测不同力度手部捏合动作

以上成果以“Mechanochromic and Conductive Gels Based on Cellulose Nanocrystals for Bioinspired Sensing”为题发表在Nano Letters期刊（中科院一区TOP，影响因子：9.6）上，卢笛助理研究员为论文的第一作者，房震副研究员及乔竹辉研究员为论文的共同通讯作者，烟台先进材料与绿色制造山东省实验室为第一单位。以上工作得到了山东省自然科学基金、山东省优秀青年科学基金（海外）和山东省实验室项目等项目的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06047#

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（责任编辑：xu）

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