康涅狄格大学孙陆逸/张甸云《Mater.Horiz.》：交互式刺激响应变色器件学术资讯

来源：材料科学前沿

刺激响应变色材料受到越来越多的关注，是由于它们可以在外来的刺激（包括力，热，光和电等）下表现出颜色的变化。因此，它们在新一代智能器件应用中显示出巨大的潜力，比如智能窗，光开关，显示和传感器等。这些变色材料在外来的刺激下会经历分子结构的变化，从而表现出颜色的变化。这些信号可以直接通过肉眼来观察，提供一种直截了当的传感路径来让人们感知环境的变化。另外，一系列的交互式光电器件被开发，来探测力、温度、紫外辐射和人体移动的响应。但是，在单个系统里拥有多种刺激响应的能力的器件还很稀少。在实验室中，合成多种刺激响应变色材料被认为是这些应用中的颜色传感单元。但是，它们通常需要复杂的合成过程，并不适合大批量制造。作为颜色传感器，它们通常在不同的刺激下表现出相近或者相同的颜色的变化，从而导致很难区分出刺激源。由于化学反应的限制，很难通过改变颜色变化的形式来获得更好的传感表现。在不同交互式/可拉伸电子器件的应用中可以拉伸不同程度，为了获得更好的监测能力的器件，力致变色可以作为理想的选择。例如，通常获得力致变色30%的拉伸可以监测手指的弯曲。虽然对于某些高度可拉伸的电子器件而言，它需要较低的力致变色灵敏度，直到100％甚至300％的应变。因此，至关重要的是开发一种替代的简便方法，使多刺激响应器件对每个单独的刺激显示不同的颜色变化，并具有可调的力致变色灵敏度。康涅狄格大学的研究人员开发了一系列有趣的多刺激响应变色器件。多种商业化的变色材料和遮光层通过简单的堆积或者平面组装形成器件。这种器件可以被认为是热/光致变色器件。力致变色效应受头足动物肤色变化机制的启发，归因于拉伸时遮光层的开裂。所有这些多刺激响应均能表现出不同的变色风格，且互不交叉干扰。值得注意的是，可以通过不同的“预拉伸”方法将力致变色进一步调整为三个级别的应变灵敏度（分别表示为低，正常和高）。该系统可以清楚地展示在拉伸30％，100％至300％范围内的不同程度的传感能力。在第一个应用中，两个具有正常和低力致变色灵敏度的多刺激响应单元被集成到一个高度可拉伸（应变高达300％）交互式电子器件中，并具备电致变色功能以指示偏置方向。除热/光致变色响应外，两个多刺激响应单元在分别以100％和200％应变拉伸时，还可以表现出明显的颜色变化，变成红色，这表明应变编码精度有所提高。在第二个应用中，具有高力致变色的多刺激响应单元，在30％应变范围内显示颜色变化的灵敏度，可应用于包含热成像单元的手指运动和环境监控设备中。还演示了基于智能手机的手指弯曲度比色分析应用程序。因此，这种3D集成方法首次通过仅使用商业化材料而无需额外苛刻的合成要求，获得了一系列通用的多刺激响应器件。此外，这些基于色度的颜色变化可以在周围环境下直接用肉眼捕获，而无需额外的观察装置和环境，这对基于荧光的材料来说是必需的。

图1. （a）多刺激响应器件的制备方法；（b）多刺激响应变色单元的制备示意图；（c）多刺激响应单元的力致变色灵敏度调节的示意图

图2（a）低拉伸灵敏度单元的多刺激响应的制备；（b）和（c）交互式电子器件的的设计示意图和性能表现

图3. （a）可穿戴移动和环境监测器件的示意图；（b）热成像单元的结构和表现；（c）器件弯折0°到80°的力致变色响应；（d）La*b*坐标与弯曲角度的关系；（e）3DFE模型的应力分布；（f）基于智能手机的比色分析，用于监控手指的弯曲行为；（g）在弯曲80°时，在紫外，可见光，高于和低于33℃的力致变色响应。参考文献：S. Zeng, H. Sun, C. Park, M. Zhang, M. Zhu,M. Yan, N. Chov, E. Li , A. T. Smith, G. Xu, S. Li, Z. Hou, Y. Li, B. Wang, D.Zhang and L. Sun, Mater. Horiz., 2019, DOI: 10.1039/C9MH00851A.

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