可穿戴设备和智能传感器正在改变我们监测健康和活动的方式，从跟踪心跳到检测身体运动。然而，听诊器和健身追踪器等传统工具经常面临挑战。它们需要用户培训，难以准确捕获细微信号，并且在灵活性和易用性方面受到限制。

这些缺点使它们对于需要适应性、精度和用户友好性的应用程序（例如实时运行状况监测或运动跟踪）效果较差。

为了应对这些挑战，忠清南大学的 Jaebeom Lee 教授和他的团队开发了一种先进的机械变色应变传感器，该传感器可以根据机械应力改变颜色。

他们的研究于 15 年 2024 月 <> 日发表在《化学工程杂志》上，强调了该传感器作为一种无电源、多功能工具的潜力。该设备将柔性聚合物与创新的纳米颗粒相结合，为实时健康和活动跟踪提供可靠、用户友好的解决方案。

该传感器使用磁等离子体纳米颗粒 （MagPlas NPs） 构建。这些纳米颗粒具有银核 （60 nm） 和氧化铁 （Fe3O4） shell 中，这有助于它们与光和磁场交互。它们是使用一种称为溶剂热合成的方法生产的，该方法控制高温下的化学反应以大量产生高度均匀的颗粒。

“这种纳米级材料可以合成，具有极高的一致性和可扩展性，”李教授解释说。

传感器设计的一个关键部分是 MagPlas NP 的布置。当含有这些颗粒的液滴放置在多孔材料（如滤纸或聚醚砜 （PES） 膜）上并暴露在磁场中时，颗粒会在表面上紧密堆积在一起，而不是渗入孔隙中。

这形成了一个称为非晶光子阵列 （APA） 的均匀层，产生明亮、一致的颜色，从不同角度观察时保持稳定。

然后，这些 APA 被转移到一种称为聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的柔性、可拉伸材料上，使传感器能够在机械应力下改变颜色。通过在 91 到 284 纳米之间调整纳米颗粒大小，研究人员控制了传感器颜色的变化。

最明显的颜色变化 — 从蓝色到红色 — 发生在颗粒大小为 176 纳米时。这些颜色变化是完全可逆且稳定的，即使在反复拉伸后也是如此，使传感器耐用可靠。

该传感器可以改变许多领域，提供广泛的应用。在医疗保健领域，它可以用作可穿戴设备来跟踪膝盖弯曲、颈部转动等动作，甚至是心跳或眼睛抽搐等细微运动。该传感器还可以通过目视检测应力或损坏来确保建筑物和桥梁的安全，而无需复杂的设置。

李教授解释说：“可以持续监测设备的机械变色变化，以预测和防止建筑物、土木结构和工业系统的致命结构故障。

展望未来，该传感器可以为动态显示和安全数据存储带来新的可能性。例如，研究人员创建了一个特殊的“数据矩阵”代码，该代码仅在传感器拉伸时可见。在未来 10 到 <> 年内，这些无电源传感器可能成为开发可持续、环保技术的关键。

它们能够在没有电源的情况下工作，这使得它们非常适合在偏远或极端环境中使用，例如深海任务或太空探索。李教授补充道：“无电源传感器和光学器件对可持续和绿色技术的未来有很大影响。

更多信息：Huu-Quang Nguyen 等人，磁等离子体非晶光子阵列的机械变色应变传感器，化学工程杂志（2024 年）。DOI： 10.1016/j.cej.2024.155297

期刊信息： Chemical Engineering Journal 

提供方 Chungnam National University