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大連理工牛文斌教授 CEJ：動態變色的超穩定視覺-數字輸出光子Vitrimer器件

2022-09-13 來源：高分子科技

具有力學響應功能的柔性可拉伸電子器件因其可作為一種智能可穿戴設備而得到了廣泛關注。但在實際使用過程中，不規則和重復的機械變形可能導致其結構出現意外損傷，嚴重縮短使用壽命。另一方面，傳統的可拉伸電子器件普遍受到單一電信號輸出的限制，導致外界刺激無法被人眼直觀地可視化，限制了其在可視化智能人機交互中的多樣化應用。

近期，大連理工大學張淑芬團隊牛文斌教授通過協同光子晶體（PC）和壓阻式碳織物（CCT）在Vitrimer中的結構演變，構建了一種新型的具有自愈合和超穩定視覺-數字輸出的光子Vitrimer電子器件（PVBEs），并展示了它在無線可視化可穿戴設備中的應用（圖1）。該工作以“Photonic Vitrimer-based Electronics with Self-Healing and Ultrastable Visual-Digital Outputs for Wireless Strain Sensing”發表在Chemical Engineering Journal上，文章第一作者是大連理工大學博士生趙凱。

圖1 PVBE的結構與應用示意圖

首先，通過聚四氫呋喃（PTMG）、聚1,4-丁二醇雙(4-氨基苯甲酸酯)（PBDAB）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和甘油（GLY）之間的縮聚反應合成了一系列新型的Vitrimer彈性體（圖2）。由于共價網絡的強健性和高溫下氨酯鍵的動態交換能力，它們不僅表現出優異的力學性能（>968%，3.6 MPa）和滯后可忽略的機械回彈性，而且具有93%的自修復效率。其次，利用光子帶隙和動態共價網絡的協同作用，在Vitrimer彈性體中嵌入三維PC結構，制備了光子彈性體（PE）（圖3）。它不僅具有較強的機械強度（4.7 MPa）和明亮的結構顏色，而且具有良好的機械性能和光學功能的自修復性（圖4）。

圖2 Vitrimer彈性體的合成與性能

圖3 PVBE的制備與表征

圖4 PVBE光學功能的自修復性

進一步，通過控制彈性體變形引起的PC和CCT的同步結構變化，制備得到了PVBE。它們表現出卓越的機電和機械變色性能，包括同步電/光響應 (0.25 s)，高靈敏度(靈敏度系數，GF = 10.3)，優異的耐久性(>10000次循環)。最重要的是，Vitrimer內部的動態共價網絡使其具有光學功能的自愈能力，而獨特的全嵌入結構使其電學響應功能得以長期穩定（圖5）。

圖5 PVBE的電學響應性能和原理

最后，基于這些優點，結合無線傳輸系統設計了一種基于PVBE的無線可視化傳感器。結果表明，該裝置可通過光電雙信號反饋實時監測人體大動作（如腕關節彎曲）和細微動作（如臉頰鼓脹），實現遠程精確的視覺-數字輸出。與傳統儀器相比，該儀器具有遙感、可視化直觀、設備體積小、數據采集方便、高效等特點（圖6）。

圖6 基于PVBE的無線傳感系統

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138285

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（責任編輯：xu）

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