可視化力學記錄器件在軍事防護、智能機器人、智能可穿戴及醫療等領域具有重要的作用。例如士兵受到爆炸或者撞擊沖擊后需要快速診斷,智能機器人需要具備類似人體皮膚接收外界刺激響應的能力(圖1A)。可視化力學記錄器件需要對力的施加模式、強度、方向等多種信息實現可重復的顯示;從使用角度看,還需對力信號具有可記憶性,具備力撤除后信息的長效顯示。基于微膠囊破碎顯色的力測試卡、膠體晶體力學監測薄膜等器件一定程度上具備了可記憶性,但是實現可重復使用、多力學模式檢測的力學記錄器件仍然是一個挑戰。聚合物分散膽甾相液晶(PDCLC)作為分子為基元的二維光子晶體,具有結構色顯示、電/力多場響應的特性,在可視化傳感器上具有優異的應用前景。但如何從力學層面設計可視化力學記錄器件結構,以及定量標定力-光響應特性是可視化傳感器開發和應用的關鍵。
圖1(a)爆炸沖擊快速記錄;(b)基于聚合物分散膽甾液晶的力學記錄器件結構; (c)可重復性、可記憶性原理示意圖
近期,東華大學材功能材料研究中心、纖維材料改性國家重點實驗室的葛鄧騰研究團隊基于聚合物分散的膽甾相液晶開發了一種靈敏度可設計且可重復使用的可視化力學記錄器件(圖1B)。結合器件微區光學響應和有限元仿真分析,建立了力-光響應的定量關系,得出剪切應變在力學顯色響應中起著關鍵作用(圖2A,B)。該器件在力的作用下可實現顯色,通過對顯色斑點的形狀、軌跡和光學信號強度的定量檢測可以實現點/面撞擊、撞擊方向的監測,圖2C展示了可視化力學記錄器件在受力分析、路徑跟蹤、模式檢測方面的潛在應用。通過對PDCLC的螺距和聚合物網絡的調控和受力電極層的力學仿真與設計,實現了力學記錄器件的色彩和靈敏度可調,為器件力學監測范圍和使用方式提供了更大的應用空間。
圖2 (A)PDCLC器件光響應微區反射光譜(B) 有限元仿真壓力作用下器件剪應力分布(C)基于PDCLC的力學記錄器件的應用
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20959
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