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光彈性效應，也稱應力雙折射，是一種常見的光學現象。透明的各向同性的介質在應力作用下，會展現暫時的各向異性，這種各向異性能夠通過偏振光產生的干涉色來體現。相比現有的塗料，這種干涉色擁有更廣的色域。而且，它無毒無害，是一種「健康的顏色」。光彈性效應常被應用於力學領域，但在電子材料方面少有報道。而通過體系的設計，使干涉色能夠響應電場的信號，從而實現基於物理變化的電致變色，非常具有實用價值。

內容




近日，西安交通大學化學學院丁書江、高國新團隊使用2-苯氧乙基丙烯酸酯（PHEA）作為單體，4-氰基-4'-戊基聯苯（5CB）作為溶劑，通過光固化工藝製備了一款具有高雙折射率的多重響應性光彈性有機凝膠（Photoelastic Organogel，簡稱PO）。5CB賦予PO低模量和高雙折射的特性，它的應變光學係數達到了2.1×10-3，但其模量卻僅有千帕數量級。PO不僅作為光彈性應變傳感器具有高靈敏度和快速響應的特性，同時對溫度也有靈敏的響應，尤其是在人體體溫範圍。而PO是一種彈性材料，在形變過程中幾乎沒有蠕變發生，其干涉色信息能夠長久保存在材料當中。


圖1.PO的力學性能和應力與雙折射的關係：a) 不同溶劑含量的PO的應力應變曲線；b) PO的伸長率與干涉色的對應關係；c) 雙折射率(Δn)和應變曲線；d)不同溶劑含量下PO的應變光學係數和模量；e) 各種光彈性聚合物的應變光學係數和模量的氣泡圖；f) 連續拉伸過程中的顏色演變；g) PO 的拉伸回復曲線；h)不同溶劑所製備的樣品的斷裂伸長率比較。


圖2. PO的耐溫性以及溫度響應:a) PO的TGA曲線；b) PO的DSC曲線；c) PO溫度與干涉色的對應關係；d) PO的光程差隨溫度變化曲線；e) 通過改變特定區域的溫度將西安交通大學的校徽寫入PO；f) 干涉色穩定性測試。

最特別的是，PO具有高介電常數（1kHz頻率時可達40以上），是一種能夠響應電場信號的柔性材料。電場使5CB小分子在高分子骨架中發生取向，改變PO的各向異性程度，從而使干涉色發生變化。這種獨特的顏色變化為電致變色提供了一種新思路，對智能窗戶領域有着極大的推動作用。多重信號響應的特點也使PO具有在多重信息加密、多功能傳感器應用的潛力。


圖3.PO的介電特性以及電場響應 a) PO的介電常數隨頻率的變化曲線；b)溶劑分子在外電場下發生取向的示意圖；c) 施加在PO的電壓與干涉色之間的對應關係；d) PO的光程差隨電壓變化的曲線；e) 通過電場精確控制的部分區域干涉顏色變化的演示。

該工作以「Photoelastic Organogel with Multiple Stimuli Responses」為題發表於化學以及材料學領域期刊Small。西安交通大學化學學院為本論文的第一完成單位，西安交通大學丁書江教授、高國新副教授以及中山大學深圳校區的助理教授石磊該論文的共同通訊作者。西安交通大學化學學院博士生高伊揚與航天學院博士生孫丹琪為共同第一作者。

原文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202204140

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