水凝膠薄膜+3D打印光子晶體，實(shí)現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)色的濕度傳感器

如今，濕度傳感器已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。特別是，采用電子測(cè)量原理的濕度傳感器已成為標(biāo)準(zhǔn)。雖然這些傳感器已被證明是一種穩(wěn)定的測(cè)量方法，但它們也有一些缺點(diǎn)，例如響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)或在爆炸性環(huán)境中使用的危險(xiǎn)性等。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，格拉茨技術(shù)大學(xué)（Graz University of Technology）的研究人員介紹了光子晶體作為一種替代性光學(xué)測(cè)量方法的濕度傳感器。研究人員將超快雙光子聚合（2PP）打印的新技術(shù)與薄膜沉積工藝（iCVD）相結(jié)合，能夠打印出大面積、高精度的3D模板，隨后用20 nm的濕度響應(yīng)性水凝膠薄膜（pHEMA）對(duì)其進(jìn)行涂覆。研究人員能夠突破雙光子聚合技術(shù)的極限，制備出穩(wěn)定和周期性的大面積3D結(jié)構(gòu)。水凝膠在環(huán)境條件下的靈活定制使其在廣泛的傳感應(yīng)用中極具前景。相關(guān)研究成果以“Structural Colored Based Humidity Sensor Consisting of High Resolution 3D Printed Photonic Crystal Coated with Ultra-Thin Responsive Hydrogels”為題發(fā)表在Macromolecular Rapid Communications期刊上。

在這項(xiàng)工作中，研究人員展示了結(jié)合iCVD制造堅(jiān)固的2PP 3D打印結(jié)構(gòu)的能力。使用超快2PP打印技術(shù)來創(chuàng)建大型、穩(wěn)定和周期性的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使用iCVD涂覆超薄水凝膠膜。2PP打印樹脂作為光子模板，在iCVD沉積過程中，水凝膠薄膜的厚度可以精確控制，而線寬和線間距可以用2PP打印機(jī)以高分辨率精確制造。

iCVD沉積后的頂視圖示意圖

光學(xué)顯微鏡下3D 2PP打印模板示意圖：（a）打印后；（b）收縮后；（c）iCVD沉積后

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)所制備結(jié)構(gòu)的顏色變化與相對(duì)濕度水平之間存在明顯的相關(guān)性。濕度的增加使得沉積的水凝膠膨脹，導(dǎo)致iCVD涂覆的光子結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的顏色變化。可以觀察到基于不同相對(duì)濕度水平的清晰顏色轉(zhuǎn)變。在低濕度水平下，可觀察到的顏色變化最小。這種現(xiàn)象可以用水凝膠薄膜特有的膨脹機(jī)制來解釋，在高濕度下顯著膨脹占據(jù)主導(dǎo)地位。

相對(duì)濕度增加的測(cè)量結(jié)果

值得一提的是，水凝膠在對(duì)環(huán)境條件的反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的靈活性。因此，傳感層可以被修飾以響應(yīng)相對(duì)濕度以外的參數(shù)。這些特性使水凝膠成為各種工業(yè)應(yīng)用中傳感層的有前途的替代選擇。

這項(xiàng)研究的長(zhǎng)期目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種緊湊型設(shè)備，通過智能手機(jī)或類似設(shè)備以光學(xué)方式測(cè)量相對(duì)濕度。因此，在未來的計(jì)劃中，研究人員將致力于改善可打印區(qū)域的大小并提高光學(xué)系統(tǒng)的效率。

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.202400111

審核編輯：劉清