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《先进材料》:神奇“玻璃”!摩擦能变透明
发布:Iron_MAN10   时间:2019/12/2 15:09:28   阅读:76 
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柔性电子/光学系统(FEOSs)作为一种前所未有的新兴集成系统,由于它们在电子皮肤、便携式/可穿戴/可植入设备、光学显示器和混合电源包等方面具有革命性的应用。在过去几十年里引起了国内外学者极大的关注。对多功能性、高性能、低功耗等的迫切需求,激励人们不断努力开发新的材料和架构来制备新型的FEOSs。
 

近日,中科院北京纳米能源研究所王中林院士、朱光研究员与北京航空航天大学陈爱华教授合作,提出了一种自供电的光学开关(OS),它由离散表面蚀刻的单电极TENG和聚合物分散液晶(PDLC)器件组成。操作系统的工作原理是利用TENG的输出电压来触发PDLC设备中的液晶(LC)对准,从而快速地将其最初的半透明状态转换为瞬间的透明状态。相关研究成果以题为“A Contact-Sliding-Triboelectrification-Driven Dynamic Optical Transmittance Modulator for Self-Powered Information Coveringand Selective Visualization”发表在《先进材料》上。
 

亮点1:集成化的独立设备

以往的设备,操作系统看起来更像是一个接地的机电光学系统,而不是一个独立的设备,这在很大程度上损害了它的适应性和可移植性。在这项工作中,作者彻底改造和升级了操作系统,使其成为一个完全集成的、支持接触滑动的、自供电的柔性光透射调制器(OTM)。OTM为多层结构,由透明的氟化乙丙烯(FEP)摩擦起电顶层、SiO2掺杂的PDLC中间层和柔性透明聚对苯二甲酸乙二酯/铟锡氧化物(PET/ITO)衬底组成。
 

图1. 自供电OTM的结构。a) OTM通过接触式滑动摩擦起电实现的自供电光透射调制原理图。b) OTM制造工艺示意图。c) OTM逐层结构示意图。d)局部放大PDLC膜的剖面图。e)预制OTM的照片。f) SiO2垫片的SEM图像。g)俯视图和h) PDLC膜聚合物网络的横截面SEM图像。i)的光学图像在交叉极化条件下的PDLC薄膜。

亮点2:响应极为敏感

当外部物体在FEP膜上滑动时,摩擦电荷会引起物体周围的电场发生实时的快速变化,进而连续触发PDLC膜上的LC对准。通过这种方式,滑动区域的初始光散射半透明状态,可以立即并依次转变为沿滑动路径的瞬时光透射。透明状态在低阈值接触压力为20 kPa,阈值滑动速度为0.3 m s−1的情况下,相对透射光强度为0.17到0.72的适当调光范围是可以实现的。
 

图2.OTM的理论分析。a) OTM结构模型,进行有限元仿真。b) FEP摩擦起电层经过充分接触滑动后的表面电势。c, d)短路转移值(QSC) ITO电极之间的移动和地面而聚全氟乙丙烯区域内的滑块(c)和滑动的聚全氟乙丙烯(d)。e)的空间分布时的电势尼龙块的中心位于一个坐标点(10.5,10.5,2.5)。f)尼龙块沿对角线方向滑动时在五个不同位置处的电势分布。g)通过PDLC膜在滑动过程中对应的自上而下电势差。

亮点3:任何材料摩擦都能驱动

由于接触式起电容易发生且普遍存在适用于任何材料,OTM可以有效地被绝缘或导电滑动材料驱动,如聚氨酯海绵,丁腈橡胶,尼龙,铝箔等。作者分析了OTM对五种不同类型块材料的响应性(图3i)。除PET外,由各种材料制成的滑动块能很好地将OTM触发到饱和状态,表明OTM在许多情况下都可能具有广泛的适用性。
 

图3.OTM的实验测量结果。a)施加于不同幅度的对应装置上的正弦电压频率为100hz。b)当光学探头与器件紧密连接时,透射光在不同电压下的光谱。c)的相对随着光学探头器件之间距离的变化,在不同电压下的透射光强度。d)照片是对应的装置(5cm×5cm)分别在0和50v的标识上方放置4mm。e)试验平台示意图测量OTM的机械光学性能。f-h)透射光在初始状态和滑动状态下的相对强度光学探头与OTM (f)之间的距离(D1),分别为滑动速度(g)和接触压力(h)的函数。相应的固定值分别为4mm、0.3m s−1和20kpa。i) OTM对不同滑块材料的响应性。

亮点4:潜在的广泛应用

此外,对于所开发的OTM的实际应用,在不使用任何额外的光学元件和外部电源的情况下,成功地进行了信息覆盖和选择性可视化的演示。考虑到OTM在可伸缩性、持久性、响应速度、成本、实现和可移植性方面的其他优势,因此它为各种潜在的交互式应用程序(包括隐私保护、电子商务、防伪图标、轨迹跟踪和智能窗口)开启了一种无电源光学调制的新范式。
 

图4. 实际光学应用的OTM演示。a)自供电信息覆盖和选择性可视化OTM原理图。b-d)初始状态下,丁腈橡胶和组织驱动的OTM的光学图像、对应的彩色映射图像和透射光相对强度。e、f) OTM覆盖的光学图像和接触式摩擦起电可视化2D代码。

小结

作者开发了一种基于PDLC膜中摩擦致电的LC对准的滑动模式摩擦电纳米发电机自供电OTM。OTM受到一个温和的接触滑动运动后会产生瞬时电场,摩擦电发电机产生的交变电场可以是连续的由摩擦电荷实时产生滑动过程,反过来又会对其施加驱动力液晶的薄膜,有能力迅速地改变它最初的半透明状态到运动轨迹上的瞬间透明状态。在低阈值接触压力为20 kPa,阈值滑动速度为0.3 m s−1的情况下,相对透射光强度为0.17到0.72的适当调光范围是可以实现的。此外,由于接触起电是很容易发生的,而且普遍适用于任何材料,因此OTM可以有效地由各种滑动材料驱动,在许多情况下可能具有广泛的适用性。更重要的是,在实际应用中,成功地实现了信息覆盖的演示和选择性可视化。

总的来说,作者的工作可能为各种可能的交互式应用开发完全集成、自供电和灵活的光学设备提供一种新的方法。

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904988


来源: 高分子科学前沿
 
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