多重刺激响应的可视化电致变色水凝胶双模传感器的制备及应用

作     者：柳佳宁 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐倩

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：刺激响应 电致变色 可视化 主-客识别 双模传感器 

摘      要：感知外界刺激并将刺激转化为人机识别响应信号的“智能材料——刺激响应型水凝胶,已经成为了先进功能材料学界的冉冉之星。其在软体机器人、仿生电子皮肤、生物医学、可穿戴电子设备等新兴领域具有广泛的应用前景。随着传感系统自动化、智能化的发展,传统基于单一刺激响应水凝胶的传感器由于其不能精确捕获多种形式环境信息(光、电、温度等)而不能在复杂环境中实现单个功能集成化器件的多模态传感应用。同时,传统传感器大多基于电信号输出形式而实现人机交互,其不可避免需附带体积庞大且昂贵的电信号识别接收端口,缺少了直观交互式颜色可视化显示系统,这无疑限制了其在应力预警、便携式可穿戴设备、信息防伪等多场景下的实际应用。因此,鉴于目前传感器面临的上述问题,亟需开发建立集多模感官响应系统于一体的可视化传感器。本论文通过将电致变色(EC)、超分子光导主-客识别、压阻传感等多刺激系统集成耦合成单一复杂设备,自组装成一种交互可视化、多维刺激感知的一体式传感器。具体研究内容如下:1、集压阻和电致变色双重刺激响应系统的自修复可视化水凝胶双模传感器。本章首先利用聚乙烯醇(PVA)、硼砂(borax)、离子液(IL)三元组分间的固有和协同特性制备了一种新型的具有良好光学特性(T90%)、出色导电性(σ=1.88 m S cm)、优异自愈能力以及良好压阻特性的PVA-borax-IL水凝胶电解质,用于构建应变传感平台。同时,通过集成机械应变和EC双模传感系统,组装成一个超低能耗可视化柔性电致变色应变传感器(VFECSS)。VFECSS表现出优异的光电性能,包括低着色电压(-0.6 V)、高着色效率(510 cm C),良好循环稳定性(3000次循环后ΔT%衰减:6.9%),超低能耗(168μW cm)等,并且在外部弯曲应变刺激下,通过自身交互式可调控视觉信号(无色?绿色?粉色),实现对复杂人体活动在可见光下的快速可靠的可视化和无创监测。2、集主-客体分子识别的光、电双模超分子自组装可视化水凝胶传感器。本章利用宿主β-环糊精(β-CD)与客体光敏偶氮苯单元(AzoSOH)、二茂铁二甲醇(Fc DMA)之间不同结合能力的光导宿主-竞争性客体相互作用,通过UV/Vis光诱导光敏偶氮苯单元的Z/E异构化构型转变来自主实现微观分子层面的客体交换行为,从而发生主-客体光控解离-自组装-重组过程。根据主-客体特异性识别特性,由于β-CD与trans-AzoSOH的分子大小匹配度合适,在无外界刺激状态下,会优先自发组装形成包结物β-CD?trans-AzoSOH。在UV～365 nm光照射时,trans-AzoSOH发生异构化转化为cis-AzoSOH而与β-CD解离,并与Fc DMA组装形成β-CD?Fc DMA。而在Vis～440 nm光照射时,由于trans-AzoSOH是优势客体,会驱使β-CD?Fc DMA发生解离而与trans-AzoSOH重组形成β-CD?trans-AzoSOH。通过光敏AzoSOH的构型转变间接调整自由态Fc DMA的浓度,从而实现对系统电化学行为特性的光控。接着,利用集光控主-客识别的超分子水凝胶和EC多维传感系统,构建了一种双模传感器。该传感器通过人机交互可视化视觉信号(黄色?绿色)实现对环境光(UV或Vis)和电刺激感知。本工作提出的这项策略为新型智能设备通过视觉可视化传感来检测紫外线、信息加密、军事伪装等应用领域提供了新的思路。