可穿戴設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，難以準確捕獲細微信號，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性、精度和用戶友好性的應用程序（例如實時運行狀況監(jiān)測或運動跟蹤）效果較差。

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

他們的研究于 15 年 2024 月 <> 日發(fā)表在《化學工程雜志》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反應以大量產(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。

傳感器設計的一個關(guān)鍵部分是 MagPlas NP 的布置。當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)樱�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域，提供廣泛的應用。在醫(yī)療保健領域，它可以用作可穿戴設備來跟蹤膝蓋彎曲、頸部轉(zhuǎn)動等動作，甚至是心跳或眼睛抽搐等細微運動。該傳感器還可以通過目視檢測應力或損壞來確保建筑物和橋梁的安全，而無需復雜的設置。

李教授解釋說：“可以持續(xù)監(jiān)測設備的機械變色變化，以預測和防止建筑物、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，例如深海任務或太空探索。李教授補充道：“無電源傳感器和光學器件對可持續(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變傳感器，化學工程雜志（2024 年）。DOI： 10.1016/j.cej.2024.155297

期刊信息： Chemical Engineering Journal 

提供方 Chungnam National University