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《Adv. Funct. Mater.》:超薄双网络纤维素水凝胶用于构建光学感应量具
2019-08-13  来源:高分子科技

  基于天然高分子的柔性感应器因其良好的力学响应能力而具有广泛的应用前景。目前大部分感应器均将力学响应转换为电信号输出。虽然响应速度快,灵敏度高,但需要配备相应的电信号输出装置,不易于携带。武汉大学周金平教授研究团队和墨尔本大学Paul Mulvaney教授研究团队合作,利用超薄的双网络纤维素水凝胶开发了一种基于法布里—珀罗(F-P)干涉腔的力学-光学感应器。将水凝胶的力学结构变化直接转换为光学响应,通过感应器的颜色变化指示水凝胶湿度的改变(图1)。

  “金属-绝缘层-金属”结构是一种典型的F-P干涉腔。在干涉腔内,入射光与反射光会发生干涉,产生明亮的干涉条纹,其干涉条纹的相位差(δ)与干涉腔的厚度(d)相关基于此,当相位差一定时,通过改变纤维素水凝胶含水量来得到不同的厚度(d)和不同的折射率(n),从而得到一系列不同波长的反射光(λ)。由于纤维素水凝胶本身具有的超强吸水性,其厚度变化可高达250%,所产生的光谱变化可以涵盖全部可见光区,从而使感应器具有直接鲜明的颜色变化响应。经COMSOL对该光学结构进行模拟证明此感应器具有较高的准确性,可以作为可靠的光学量具。

图1. 基于不同厚度水凝胶的F-P光学感应器。

  并且,通过控制纤维素水凝胶的化学交联度则可以得到具有不同光谱相应范围的感应器。随着化学交联度的增加,水凝胶的吸水能力也随之增加,从而具有更大的光谱响应范围(图2)。同时,纤维素水凝胶光学感应器还具有良好的重复使用性和化学稳定性,对环境湿度变化具有响应能力。

图2. 不同化学交联度的水凝胶感应器的二维反射光谱图及冻干水凝胶层的扫描电镜图(a和d:ECH:AGU=1;b和e:ECH:AGU=3)、(c)由COMSOL模拟的水凝胶感应器的二维反射光谱图和不同化学交联度的水凝胶溶胀率随时间的变化关系。

  相关成果以“An Optically Responsive Soft Etalon Based on Ultrathin Cellulose Hydrogels”为题(DOI:10.1002/adfm.201904290),发表于材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》上。武汉大学化学与分子科学学院博士生东玥为第一作者,武汉大学化学与分子科学学院周金平教授、墨尔本大学化学院Paul Mulvaney教授为共同通讯作者。该工作获得国家自然科学基金、澳大利亚研究理事会、国家留学基金委、洪堡基金会等的资助。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201904290

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(责任编辑:xu)
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