可穿戴設(shè)備和智能傳感器正在改變我們監(jiān)測健康和活動的方式，從跟蹤心跳到檢測身體運動。然而，聽診器和健身追蹤器等傳統(tǒng)工具經(jīng)常面臨挑戰(zhàn)。它們需要用戶培訓(xùn)，難以準(zhǔn)確捕獲細(xì)微信號，并且在靈活性和易用性方面受到限制。

這些缺點使它們對于需要適應(yīng)性、精度和用戶友好性的應(yīng)用程序（例如實時運行狀況監(jiān)測或運動跟蹤）效果較差。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，忠清南大學(xué)的 Jaebeom Lee 教授和他的團隊開發(fā)了一種先進的機械變色應(yīng)變傳感器，該傳感器可以根據(jù)機械應(yīng)力改變顏色。

他們的研究于 15 年 2024 月 <> 日發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》上，強調(diào)了該傳感器作為一種無電源、多功能工具的潛力。該設(shè)備將柔性聚合物與創(chuàng)新的納米顆粒相結(jié)合，為實時健康和活動跟蹤提供可靠、用戶友好的解決方案。

該傳感器使用磁等離子體納米顆粒 （MagPlas NPs） 構(gòu)建。這些納米顆粒具有銀核 （60 nm） 和氧化鐵 （Fe3O4） shell 中，這有助于它們與光和磁場交互。它們是使用一種稱為溶劑熱合成的方法生產(chǎn)的，該方法控制高溫下的化學(xué)反應(yīng)以大量產(chǎn)生高度均勻的顆粒。

“這種納米級材料可以合成，具有極高的一致性和可擴展性，”李教授解釋說。

傳感器設(shè)計的一個關(guān)鍵部分是 MagPlas NP 的布置。當(dāng)含有這些顆粒的液滴放置在多孔材料（如濾紙或聚醚砜 （PES） 膜）上并暴露在磁場中時，顆粒會在表面上緊密堆積在一起，而不是滲入孔隙中。

這形成了一個稱為非晶光子陣列 （APA） 的均勻?qū)�，產(chǎn)生明亮、一致的顏色，從不同角度觀察時保持穩(wěn)定。

然后，這些 APA 被轉(zhuǎn)移到一種稱為聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的柔性、可拉伸材料上，使傳感器能夠在機械應(yīng)力下改變顏色。通過在 91 到 284 納米之間調(diào)整納米顆粒大小，研究人員控制了傳感器顏色的變化。

最明顯的顏色變化 — 從藍色到紅色 — 發(fā)生在顆粒大小為 176 納米時。這些顏色變化是完全可逆且穩(wěn)定的，即使在反復(fù)拉伸后也是如此，使傳感器耐用可靠。

該傳感器可以改變許多領(lǐng)域，提供廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，它可以用作可穿戴設(shè)備來跟蹤膝蓋彎曲、頸部轉(zhuǎn)動等動作，甚至是心跳或眼睛抽搐等細(xì)微運動。該傳感器還可以通過目視檢測應(yīng)力或損壞來確保建筑物和橋梁的安全，而無需復(fù)雜的設(shè)置。

李教授解釋說：“可以持續(xù)監(jiān)測設(shè)備的機械變色變化，以預(yù)測和防止建筑物、土木結(jié)構(gòu)和工業(yè)系統(tǒng)的致命結(jié)構(gòu)故障。

展望未來，該傳感器可以為動態(tài)顯示和安全數(shù)據(jù)存儲帶來新的可能性。例如，研究人員創(chuàng)建了一個特殊的“數(shù)據(jù)矩陣”代碼，該代碼僅在傳感器拉伸時可見。在未來 10 到 <> 年內(nèi)，這些無電源傳感器可能成為開發(fā)可持續(xù)、環(huán)保技術(shù)的關(guān)鍵。

它們能夠在沒有電源的情況下工作，這使得它們非常適合在偏遠或極端環(huán)境中使用，例如深海任務(wù)或太空探索。李教授補充道：“無電源傳感器和光學(xué)器件對可持續(xù)和綠色技術(shù)的未來有很大影響。

更多信息：Huu-Quang Nguyen 等人，磁等離子體非晶光子陣列的機械變色應(yīng)變傳感器，化學(xué)工程雜志（2024 年）。DOI： 10.1016/j.cej.2024.155297

期刊信息： Chemical Engineering Journal 

提供方 Chungnam National University