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北航陳愛華教授《Small》：壓電納米發(fā)電機(jī)/液晶聚合物復(fù)合纖維用于可動(dòng)態(tài)彎曲紫外通信器件
2022-07-28  來源：高分子科技

  紫外光通信具有抗干擾和抗攔截的本征優(yōu)勢(shì)，是無線電靜默條件下的重要通信方式之一。為了提升通信系統(tǒng)的便攜性與集成能力，發(fā)展可穿戴柔性紫外傳感器具有重要意義。目前，可穿戴類器件的構(gòu)建主要是將光電半導(dǎo)體敏感元件集成到柔性基底上，由于兩類材料間的彈性模量不匹配、表面能差異較大等問題，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程兩種材料容易分離脫落，限制了其作為可穿戴設(shè)備在行走、奔跑等動(dòng)態(tài)環(huán)境下的使用。交聯(lián)液晶聚合物（Crosslinked Liquid Crystalline Polymers, CLCPs），或液晶彈性體（Liquid Crystalline Elastomers，LCEs），兼具高分子質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐疲勞等優(yōu)勢(shì)，其液晶的有序結(jié)構(gòu)還賦予了材料分子間的協(xié)同作用以及各向異性，極大地提高了材料對(duì)環(huán)境的刺激響應(yīng)能力和響應(yīng)速度，是構(gòu)建本征柔性可穿戴電子產(chǎn)品的潛力材料。


  北京航空航天大學(xué)陳愛華教授課題組長期致力于液晶聚合物及其智能器件的設(shè)計(jì)合成與應(yīng)用研究。課題組設(shè)計(jì)了可溶液加工、具有紫外光/濕度雙重響應(yīng)的偶氮苯液晶彈性體，構(gòu)建了復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的偶氮苯液晶彈性體執(zhí)行器，通過紫外光和濕度的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小物體的遠(yuǎn)程操控（Small 2019, 15, 1900110）。進(jìn)一步地，通過靜電紡絲技術(shù)制備了偶氮苯液晶聚合物/離子液體/聚氨酯彈性體復(fù)合織物，構(gòu)建了具有光-力-電信號(hào)快速轉(zhuǎn)換功能的高耐久性全柔性紫外傳感/防護(hù)一體化器件，實(shí)現(xiàn)了按需式信息編碼的紫外解鎖和紫外輸入（Nat. Commun. 2021, 12, 4875）。近日，在前期研究工作基礎(chǔ)上，課題組在液晶彈性體復(fù)合體系中引入了壓電納米發(fā)電機(jī)，制備了偶氮苯液晶聚合物/離子液體/聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）取向復(fù)合織物ILCP/P(VDF-TrFE)，構(gòu)建了具有高靈敏度的自驅(qū)動(dòng)全柔性紫外傳感器，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)彎曲條件下的紫外通信，如圖1所示。

 

圖1.（a）可動(dòng)態(tài)彎曲紫外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；（b）自驅(qū)動(dòng)全柔性ILCP/P(VDF-TrFE)紫外傳感器的制備工藝流程；（c）器件結(jié)構(gòu)與傳感原理示意圖；（d）分子結(jié)構(gòu)示意圖；（e）纖維實(shí)物照片；（f）纖維偏光顯微鏡照片。 復(fù)合織物通過壓電效應(yīng)和電阻效應(yīng)的耦合作用，建立了更高效的光-力-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，大大提高了紫外傳感器的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間。ILCP/P(VDF-TrFE)器件具有190 ms的快速響應(yīng)時(shí)間、10000次測(cè)試循環(huán)的穩(wěn)定性和防水性，且無需外部電源工作，如圖2所示。由于復(fù)合織物的本征柔性，動(dòng)態(tài)彎曲對(duì)紫外探測(cè)器傳感信號(hào)的影響有限。即使在2.5 Hz彎曲頻率和200 m-1曲率的動(dòng)態(tài)條件下，該器件在1.0 mW·cm-2紫外光下的性能變化（彎曲不敏感性）小于1%。


圖2.（a）器件在不同紫外光強(qiáng)下的檢測(cè)性能；（b）不同液晶含量的紫外檢測(cè)性能擬合曲線；（c）10000次紫外開/關(guān)循環(huán)檢測(cè)穩(wěn)定性；（d）反轉(zhuǎn)電極測(cè)試；（e）不同動(dòng)態(tài)彎曲頻率下的響應(yīng)電流；（f）2.5 Hz動(dòng)態(tài)彎曲頻率下的紫外響應(yīng)電流。


  在此基礎(chǔ)上，他們?cè)O(shè)計(jì)了可穿戴、彎曲不敏感的ASCII 編碼電子器件，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展示了紫外通信應(yīng)用，在動(dòng)態(tài)彎曲條件下每個(gè)字符的打印速度為3.2 s，如圖3所示。本工作中，精心設(shè)計(jì)的聚合物復(fù)合材料和信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制顯著提高了紫外傳感器的靈敏度和動(dòng)態(tài)下的可工作性，進(jìn)一步拓展了功能高分子材料在紫外通信、信息加密、安全防護(hù)等相關(guān)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

 

圖3. 紫外通信系統(tǒng)：（a）靜態(tài)和（b-d）動(dòng)態(tài)彎曲工作模式的實(shí)際工作過程照片。


  該成果以題為“Bending-Insensitive Intrinsically Flexible Ultraviolet Encoding Devices Based on Piezoelectric Nanogenerator-Supplied Liquid Crystalline Polymer Fabrics” 發(fā)表在國際著名期刊《Small》上，北航為唯一通訊單位，文章第一作者為北航材料學(xué)院鄭曉雄博士，通訊作者為陳愛華教授。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202639

  下載：Bending-Insensitive Intrinsically Flexible Ultraviolet Encoding Devices Based on Piezoelectric Nanogenerator-Supplied Liquid Crystalline Polymer Fabrics

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