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《Adv. Funct. Mater.》:超薄雙網絡纖維素水凝膠用于構建光學感應量具
2019-08-13  來源:高分子科技

  基于天然高分子的柔性感應器因其良好的力學響應能力而具有廣泛的應用前景。目前大部分感應器均將力學響應轉換為電信號輸出。雖然響應速度快,靈敏度高,但需要配備相應的電信號輸出裝置,不易于攜帶。武漢大學周金平教授研究團隊和墨爾本大學Paul Mulvaney教授研究團隊合作,利用超薄的雙網絡纖維素水凝膠開發了一種基于法布里—珀羅(F-P)干涉腔的力學-光學感應器。將水凝膠的力學結構變化直接轉換為光學響應,通過感應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”結構是一種典型的F-P干涉腔。在干涉腔內,入射光與反射光會發生干涉,產生明亮的干涉條紋,其干涉條紋的相位差(δ)與干涉腔的厚度(d)相關。基于此,當相位差一定時,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的反射光(λ)。由于纖維素水凝膠本身具有的超強吸水性,其厚度變化可高達250%,所產生的光譜變化可以涵蓋全部可見光區,從而使感應器具有直接鮮明的顏色變化響應。經COMSOL對該光學結構進行模擬證明此感應器具有較高的準確性,可以作為可靠的光學量具。

圖1. 基于不同厚度水凝膠的F-P光學感應器。

  并且,通過控制纖維素水凝膠的化學交聯度則可以得到具有不同光譜相應范圍的感應器。隨著化學交聯度的增加,水凝膠的吸水能力也隨之增加,從而具有更大的光譜響應范圍(圖2)。同時,纖維素水凝膠光學感應器還具有良好的重復使用性和化學穩定性,對環境濕度變化具有響應能力。

圖2. 不同化學交聯度的水凝膠感應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模擬的水凝膠感應器的二維反射光譜圖和不同化學交聯度的水凝膠溶脹率隨時間的變化關系。

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

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

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