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  基于天然高分子的柔性感應(yīng)器因其良好的力學(xué)響應(yīng)能力而具有廣泛的應(yīng)用前景。目前大部分感應(yīng)器均將力學(xué)響應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。雖然響應(yīng)速度快，靈敏度高，但需要配備相應(yīng)的電信號(hào)輸出裝置，不易于攜帶。武漢大學(xué)周金平教授研究團(tuán)隊(duì)和墨爾本大學(xué)Paul Mulvaney教授研究團(tuán)隊(duì)合作，利用超薄的雙網(wǎng)絡(luò)纖維素水凝膠開發(fā)了一種基于法布里—珀羅（F-P）干涉腔的力學(xué)-光學(xué)感應(yīng)器。將水凝膠的力學(xué)結(jié)構(gòu)變化直接轉(zhuǎn)換為光學(xué)響應(yīng)，通過感應(yīng)器的顏色變化指示水凝膠濕度的改變（圖1）。

  “金屬-絕緣層-金屬”結(jié)構(gòu)是一種典型的F-P干涉腔。在干涉腔內(nèi)，入射光與反射光會(huì)發(fā)生干涉，產(chǎn)生明亮的干涉條紋，其干涉條紋的相位差（δ）與干涉腔的厚度（d）相關(guān)。基于此，當(dāng)相位差一定時(shí)，通過改變纖維素水凝膠含水量來得到不同的厚度（d）和不同的折射率（n），從而得到一系列不同波長(zhǎng)的反射光（λ）。由于纖維素水凝膠本身具有的超強(qiáng)吸水性，其厚度變化可高達(dá)250%，所產(chǎn)生的光譜變化可以涵蓋全部可見光區(qū)，從而使感應(yīng)器具有直接鮮明的顏色變化響應(yīng)。經(jīng)COMSOL對(duì)該光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬證明此感應(yīng)器具有較高的準(zhǔn)確性，可以作為可靠的光學(xué)量具。

圖1. 基于不同厚度水凝膠的F-P光學(xué)感應(yīng)器。

  并且，通過控制纖維素水凝膠的化學(xué)交聯(lián)度則可以得到具有不同光譜相應(yīng)范圍的感應(yīng)器。隨著化學(xué)交聯(lián)度的增加，水凝膠的吸水能力也隨之增加，從而具有更大的光譜響應(yīng)范圍（圖2）。同時(shí)，纖維素水凝膠光學(xué)感應(yīng)器還具有良好的重復(fù)使用性和化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)環(huán)境濕度變化具有響應(yīng)能力。

圖2. 不同化學(xué)交聯(lián)度的水凝膠感應(yīng)器的二維反射光譜圖及凍干水凝膠層的掃描電鏡圖（a和d：ECH:AGU=1；b和e：ECH:AGU=3）、（c）由COMSOL模擬的水凝膠感應(yīng)器的二維反射光譜圖和不同化學(xué)交聯(lián)度的水凝膠溶脹率隨時(shí)間的變化關(guān)系。

  相關(guān)成果以“An Optically Responsive Soft Etalon Based on Ultrathin Cellulose Hydrogels”為題（DOI：10.1002/adfm.201904290），發(fā)表于材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》上。武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院博士生東玥為第一作者，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院周金平教授、墨爾本大學(xué)化學(xué)院Paul Mulvaney教授為共同通訊作者。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、澳大利亞研究理事會(huì)、國(guó)家留學(xué)基金委、洪堡基金會(huì)等的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201904290