可視化力學(xué)記錄器件在軍事防護(hù)、智能機器人、智能可穿戴及醫(yī)療等領(lǐng)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(yīng)的能力（圖1A）？梢暬W(xué)記錄器件需要對力的施加模式、強度、方向等多種信息實現(xiàn)可重復(fù)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；谖⒛z囊破碎顯色的力測試卡、膠體晶體力學(xué)監(jiān)測薄膜等器件一定程度上具備了可記憶性，但是實現(xiàn)可重復(fù)使用、多力學(xué)模式檢測的力學(xué)記錄器件仍然是一個挑戰(zhàn)。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(jié)構(gòu)色顯示、電/力多場響應(yīng)的特性，在可視化傳感器上具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。但如何從力學(xué)層面設(shè)計可視化力學(xué)記錄器件結(jié)構(gòu)，以及定量標(biāo)定力-光響應(yīng)特性是可視化傳感器開發(fā)和應(yīng)用的關(guān)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(xué)記錄器件結(jié)構(gòu)； (c)可重復(fù)性、可記憶性原理示意圖
近期，東華大學(xué)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(tuán)隊基于聚合物分散的膽甾相液晶開發(fā)了一種靈敏度可設(shè)計且可重復(fù)使用的可視化力學(xué)記錄器件（圖1B）。結(jié)合器件微區(qū)光學(xué)響應(yīng)和有限元仿真分析，建立了力-光響應(yīng)的定量關(guān)系，得出剪切應(yīng)變在力學(xué)顯色響應(yīng)中起著關(guān)鍵作用（圖2A，B）。該器件在力的作用下可實現(xiàn)顯色，通過對顯色斑點的形狀、軌跡和光學(xué)信號強度的定量檢測可以實現(xiàn)點/面撞擊、撞擊方向的監(jiān)測，圖2C展示了可視化力學(xué)記錄器件在受力分析、路徑跟蹤、模式檢測方面的潛在應(yīng)用。通過對PDCLC的螺距和聚合物網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控和受力電極層的力學(xué)仿真與設(shè)計，實現(xiàn)了力學(xué)記錄器件的色彩和靈敏度可調(diào)，為器件力學(xué)監(jiān)測范圍和使用方式提供了更大的應(yīng)用空間。
圖2 （A）PDCLC器件光響應(yīng)微區(qū)反射光譜（B） 有限元仿真壓力作用下器件剪應(yīng)力分布（C）基于PDCLC的力學(xué)記錄器件的應(yīng)用
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c20959
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