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《先進材料》:神奇“玻璃”!摩擦能變透明
發布:Iron_MAN10   時間:2019/12/2 15:09:28   閱讀:78 
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柔性電子/光學系統(FEOSs)作為一種前所未有的新興集成系統,由于它們在電子皮膚、便攜式/可穿戴/可植入設備、光學顯示器和混合電源包等方面具有革命性的應用。在過去幾十年里引起了國內外學者極大的關注。對多功能性、高性能、低功耗等的迫切需求,激勵人們不斷努力開發新的材料和架構來制備新型的FEOSs。
 

近日,中科院北京納米能源研究所王中林院士、朱光研究員與北京航空航天大學陳愛華教授合作,提出了一種自供電的光學開關(OS),它由離散表面蝕刻的單電極TENG和聚合物分散液晶(PDLC)器件組成。操作系統的工作原理是利用TENG的輸出電壓來觸發PDLC設備中的液晶(LC)對準,從而快速地將其最初的半透明狀態轉換為瞬間的透明狀態。相關研究成果以題為“A Contact-Sliding-Triboelectrification-Driven Dynamic Optical Transmittance Modulator for Self-Powered Information Coveringand Selective Visualization”發表在《先進材料》上。
 

亮點1:集成化的獨立設備

以往的設備,操作系統看起來更像是一個接地的機電光學系統,而不是一個獨立的設備,這在很大程度上損害了它的適應性和可移植性。在這項工作中,作者徹底改造和升級了操作系統,使其成為一個完全集成的、支持接觸滑動的、自供電的柔性光透射調制器(OTM)。OTM為多層結構,由透明的氟化乙丙烯(FEP)摩擦起電頂層、SiO2摻雜的PDLC中間層和柔性透明聚對苯二甲酸乙二酯/銦錫氧化物(PET/ITO)襯底組成。
 

圖1. 自供電OTM的結構。a) OTM通過接觸式滑動摩擦起電實現的自供電光透射調制原理圖。b) OTM制造工藝示意圖。c) OTM逐層結構示意圖。d)局部放大PDLC膜的剖面圖。e)預制OTM的照片。f) SiO2墊片的SEM圖像。g)俯視圖和h) PDLC膜聚合物網絡的橫截面SEM圖像。i)的光學圖像在交叉極化條件下的PDLC薄膜。

亮點2:響應極為敏感

當外部物體在FEP膜上滑動時,摩擦電荷會引起物體周圍的電場發生實時的快速變化,進而連續觸發PDLC膜上的LC對準。通過這種方式,滑動區域的初始光散射半透明狀態,可以立即并依次轉變為沿滑動路徑的瞬時光透射。透明狀態在低閾值接觸壓力為20 kPa,閾值滑動速度為0.3 m s−1的情況下,相對透射光強度為0.17到0.72的適當調光范圍是可以實現的。
 

圖2.OTM的理論分析。a) OTM結構模型,進行有限元仿真。b) FEP摩擦起電層經過充分接觸滑動后的表面電勢。c, d)短路轉移值(QSC) ITO電極之間的移動和地面而聚全氟乙丙烯區域內的滑塊(c)和滑動的聚全氟乙丙烯(d)。e)的空間分布時的電勢尼龍塊的中心位于一個坐標點(10.5,10.5,2.5)。f)尼龍塊沿對角線方向滑動時在五個不同位置處的電勢分布。g)通過PDLC膜在滑動過程中對應的自上而下電勢差。

亮點3:任何材料摩擦都能驅動

由于接觸式起電容易發生且普遍存在適用于任何材料,OTM可以有效地被絕緣或導電滑動材料驅動,如聚氨酯海綿,丁腈橡膠,尼龍,鋁箔等。作者分析了OTM對五種不同類型塊材料的響應性(圖3i)。除PET外,由各種材料制成的滑動塊能很好地將OTM觸發到飽和狀態,表明OTM在許多情況下都可能具有廣泛的適用性。
 

圖3.OTM的實驗測量結果。a)施加于不同幅度的對應裝置上的正弦電壓頻率為100hz。b)當光學探頭與器件緊密連接時,透射光在不同電壓下的光譜。c)的相對隨著光學探頭器件之間距離的變化,在不同電壓下的透射光強度。d)照片是對應的裝置(5cm×5cm)分別在0和50v的標識上方放置4mm。e)試驗平臺示意圖測量OTM的機械光學性能。f-h)透射光在初始狀態和滑動狀態下的相對強度光學探頭與OTM (f)之間的距離(D1),分別為滑動速度(g)和接觸壓力(h)的函數。相應的固定值分別為4mm、0.3m s−1和20kpa。i) OTM對不同滑塊材料的響應性。

亮點4:潛在的廣泛應用

此外,對于所開發的OTM的實際應用,在不使用任何額外的光學元件和外部電源的情況下,成功地進行了信息覆蓋和選擇性可視化的演示??悸塹絆TM在可伸縮性、持久性、響應速度、成本、實現和可移植性方面的其他優勢,因此它為各種潛在的交互式應用程序(包括隱私?;?、電子商務、防偽圖標、軌跡跟蹤和智能窗口)開啟了一種無電源光學調制的新范式。
 

圖4. 實際光學應用的OTM演示。a)自供電信息覆蓋和選擇性可視化OTM原理圖。b-d)初始狀態下,丁腈橡膠和組織驅動的OTM的光學圖像、對應的彩色映射圖像和透射光相對強度。e、f) OTM覆蓋的光學圖像和接觸式摩擦起電可視化2D代碼。

小結

作者開發了一種基于PDLC膜中摩擦致電的LC對準的滑動模式摩擦電納米發電機自供電OTM。OTM受到一個溫和的接觸滑動運動后會產生瞬時電場,摩擦電發電機產生的交變電場可以是連續的由摩擦電荷實時產生滑動過程,反過來又會對其施加驅動力液晶的薄膜,有能力迅速地改變它最初的半透明狀態到運動軌跡上的瞬間透明狀態。在低閾值接觸壓力為20 kPa,閾值滑動速度為0.3 m s−1的情況下,相對透射光強度為0.17到0.72的適當調光范圍是可以實現的。此外,由于接觸起電是很容易發生的,而且普遍適用于任何材料,因此OTM可以有效地由各種滑動材料驅動,在許多情況下可能具有廣泛的適用性。更重要的是,在實際應用中,成功地實現了信息覆蓋的演示和選擇性可視化。

總的來說,作者的工作可能為各種可能的交互式應用開發完全集成、自供電和靈活的光學設備提供一種新的方法。

全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904988


來源: 高分子科學前沿
 
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