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    浙江大学谢涛、赵骞团队《AM?》:数字可编程聚合物相变材料,中国建材网,cnprofit.com
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    浙江大学谢涛、赵骞团队《AM?》:数字可编程聚合物相变材料
    2021年05月10日    阅读量:35    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

    适应周围环境对于在野外生存的动物来说至关重要。例如,头足类动物通过自适应的颜色切换来实现伪装,而变色龙则通过改变颜色来表达自己的情感。受这些生物系统的启发,许多能够切换光学特性的人造材料已经被发明出来中国建材网cnprofit.com。它们的基本机制是多种多样的,主要包括光致发光、光子晶体和热/电/机械致变色。这推动了诸多技术创新,例如生物医学传感/成像、防伪、显示器和智能窗口。尽管人类和大多数动物大多对光学变化敏感,但是诸如蚊子和吸血蝙蝠等生物依靠红外光在黑暗中进行观察。红外辐射与温度密切相关,其检测/操作对于医学传感和伪装至关重要。例如,基于红外的热成像仪可以快速检测发烧症状;而隐藏红外辐射便能实现伪装。目前,红外模式的主动操纵已经被实现,但是实现自演化模式的切换仍然是一个挑战。有趣的是,某些动物利用红外线作为与外界通信的主动手段。例如,响尾蛇依靠其对红外线敏感的凹陷形器官来探测黑暗中的猎物。同时,为了威胁响尾蛇,地松鼠通过增加流向尾巴的血流量来发出强烈的、具有欺骗性的红外尾标信号。

    受地松鼠的主动温度调节和预期作用的启发,浙江大学谢涛、赵骞团队通过对数字可编程聚合物相变材料进行设计,建立了能实现自演化实时通信的平台。该平台基于数字光固化的聚合物相变材料,并以像素化方式控制其结晶动力学;利用结晶过程中光学透明性的实时演变来实现实时光通信。另外,通过利用热焓的动态演化,可以将多组时间特定信息可逆地检索为自演化红外热图像。这种双模式时间系统的多功能性扩展了安全通信的范围,对包括光学、热调节和3D / 4D打印在内的其他各个领域都有潜在的影响。该研究以题为“Bioinspired Dual‐Mode Temporal Communication via Digitally Programmable Phase‐Change Materials”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。


    【数字可编程聚合物相变材料】

    该材料是通过对预热的液态预聚体(70°C)进行光固化而制成的,该液态预聚体由可结晶的单体(丙烯酸十八酯)、交联剂(1,6-己二醇二丙烯酸酯)和光引发剂组成(图1a)。数字曝光可以对聚合物网络的形成进行时间和空间的控制,其简便性和多功能性超越了其他可以像素化方式对聚合物进行编程的方法。这里,更长的曝光时间(图1b中区域1)导致较高的交联密度和较少的未反应可结晶单体。相比之下,图1b中区域2的曝光时间较短,从而导致具有较低的交联密度和更多未反应的可结晶单体的网络。固化后冷却后,由于两个区域的网络结构不同,这两个区域显示出各自不同的结晶行为。在冷却诱导的结晶过程演变中,一个可能的情况是区域1首先结晶,因为较高的交联度会导致较高的结晶温度。在进一步冷却到完全/平衡结晶状态后,情况发生了逆转。由于在较低的交联网络中对分子迁移率的约束较小,因此区域2将达到较高的平衡结晶度。因为结晶区域会阻挡光透射,所以结晶顺序和平衡结晶度的不同趋势会导致光透射的相应变化。

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    图1. 数字可编程相变材料的组分、制造和工作原理。a)预聚体和数字固化装置。b)光控网络的形成和结晶。c)反转两个数字光固化图案的光学对比度。

    【生物启发的双模式实时通信】

    作者将光固化后的材料进行冷却,随着相变材料内部结晶区域的形成,光透射率也产生了相应的变化。作者利用这一特性制造了可编程的时间加密设备。图3a分别显示了两个基于PSA-8 / 24和PSA-8 / 12组合的快速响应(Quick response,QR)代码。编码信息在其透明融化状态下不可读。冷却后,当系统随着区域接近完全结晶而显示出足够的对比度时,PSA-8 / 24器件可在超过300 s的时域进行扫描。相比之下,隐藏在PSA-8 / 12中的信息只能在100-150 s之间进行检索,超过此时间将丢失所需的对比度。简而言之,该系统可以对实时光学信息进行编码,能提供比常规QR设备更好的安全性。另外,作者还研究了基于红外的实时通信中结晶的放热性质,并证实,利用相变原理,可以仅在特定的时域再次通过加热和随后的冷却将这种模式作为红外信号进行检索。最后,作者通过在一组特定的图案上使用两个以上的固化时间,对实时红外信息进行更复杂的处理,整个演化过程都可以通过加热和冷却来重复。

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    图2. 数字固化相变材料的结晶行为和光学对比度优化。a)冷却后可见光透射率的变化。b)差示扫描量热法(DSC)结晶曲线。c)XRD图案。d)比较具有不同固化时间组合的图案化样品的光学对比度。e)通过PSA-8 / 24组合获得的具有彩色背景的多种光学图案。

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    图3. 光学和红外图像的演变。a)实时编程的光学快速响应二维码,绿色矩形背景指示可读范围。b)使用PSA-8 / 24的可切换光学快速响应设备。c)使用PSA-8 / 30进行红外模式演变。d)使用PSA-12 / 30对光学隐藏信息进行红外模式检测。

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    图4. 演示多时相红外信息。a)昙花图案的设计和随时间的红外演变。b)松鼠-蛇组合图案的设计和随时间的红外图像演化。


    总结:作者采用相变材料的数字光固化技术对实时信息进行编程。该概念可扩展到包括可结晶单体、交联剂和光引发剂的各种材料体系。同时,材料和制造工艺的简单性有利于潜在的商业应用。将时间用作实时维度会增加存储的信息量和安全级别。两种操作模式(光学和热模式)进一步扩展了多功能性,并且无需任何复杂的设备即可自然监控时间信息。这项工作着眼于实时交流,并有望启发其他领域的进步,包括光学,热调控和3D / 4D打印。


    标签:今日头条化工应用技术中心塑料聚合物
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