秦皇島分校在高性能摩擦誘導電致發(fā)光材料的設計及應用領域取得重要突破

近日，秦皇島分校趙勇教授團隊教師在高性能摩擦誘導電致發(fā)光材料的設計及應用領域取得重要進展，其中一項研究成果“a liquid-solid contact electrification based all-optical liquid flow sensor for microfluidic analysis in biomedical applications（用于生物醫(yī)學微流控分析中的液-固接觸式全光流量傳感器）”發(fā)表于材料領域國際頂級刊物advanced functional materials。另一項成果“porous-structure-promoted tribo-induced high-performance self-powered tactile sensor toward remote human-machine interaction（多孔結(jié)構(gòu)促進的高性能摩擦自供電觸覺傳感器及其遠程人機交互）”發(fā)表于材料領域國際頂級刊物advanced science。秦皇島分校教師蘇麗為兩篇論文的第一作者，東北大學秦皇島分校為第一完成單位。該成果促進了秦皇島分校光學工程學科的發(fā)展，提升了海洋光電信息感知研究團隊成果水平。

近年來，許多智能光學材料由于具有高分辨率、直觀性及遠距離無線光傳輸?shù)莫毺貎?yōu)勢，成為了自驅(qū)動傳感器中具有希望的候選者。其中，摩擦誘導電致發(fā)光(tiel)材料，因其低應力閾值和高應力響應率，引起了研究者們的廣泛關(guān)注，在防偽、實時可視化傳感、人機交互、清潔光源等領域均展現(xiàn)了廣闊的應用前景。然而，隨著對智能光學傳感系統(tǒng)低功耗及高傳感精度需求的不斷增高，現(xiàn)有摩擦誘導電致發(fā)光材料發(fā)光性能的提升手段和效果仍十分有限，嚴重阻礙了其應用進程?；诖?，趙勇教授團隊與香港科技大學（廣州）合作，圍繞材料制備-作用機制-性能優(yōu)化-應用開發(fā)的研究鏈，從構(gòu)建內(nèi)部空間帶電區(qū)及電極幾何設計的角度入手，探索出了大幅度提升摩擦誘導電致發(fā)光材料性能的新途徑。

通過帶背電極的多孔tiel組件開發(fā)了一種新型自驅(qū)動觸覺傳感器(spts)以利用多孔結(jié)構(gòu)在spts體內(nèi)產(chǎn)生大量的摩擦電荷。研究結(jié)果表明，內(nèi)部空腔的形變可以顯著促進spts內(nèi)部電致發(fā)光粉的電場變化幅值，與致密spts相比，發(fā)光強度提高了近三倍，同時，背電極中增強的靜電感應電荷也可作為額外的電學通道，進一步提升了系統(tǒng)的功能性。經(jīng)過優(yōu)化設計，spts顯示出優(yōu)異的傳感性能，包括超低檢測閾值（1 kpa）、超高靈敏度（0.2 kpa-1和22 v?kpa-1）、超快響應時間（<8 ms）以及優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性（>;20000次）。此外，利用背電極輸出的電信號遠程控制智能小車，同時利用tiel光信號進行視頻游戲操作，演示了其在實際應用中優(yōu)異的雙模遠程人機交互能力。

利用液-固界面上產(chǎn)生的tiel開發(fā)了一種新型的自驅(qū)動全光流量傳感器(alfs)。其中，tiel信號的產(chǎn)生基于液體和帶電層之間的摩擦起電效應以及發(fā)光層的電致發(fā)光效應。通過優(yōu)化底部柵格電極層，發(fā)光強度顯著增加，獲得了0.089 s mm-1的高靈敏度和1 mm s-1的低流速閾值?；谏鲜鰞?yōu)異的傳感性能，開發(fā)了基于alfs的監(jiān)控系統(tǒng)，通過實時分析攝像機捕獲的光信號，實現(xiàn)了長距離傳輸?shù)淖怨╇姛o線光傳感，并快速而準確地計算了液體中雜質(zhì)的流速和粒徑。此外，alfs還適用于生物醫(yī)學的應用。當患者接受輸液治療時，可以通過液體表面的發(fā)光精確地調(diào)整滴斗中的液位，以確保黑暗中輸液的安全。一些生物圖像，如洋蔥細胞、松針細胞和蠅腿，能夠在顯微鏡下的微流控芯片中清晰地觀察到而無需任何額外光源。

綜上，這兩項研究為實現(xiàn)高性能摩擦誘導電致發(fā)光材料和制造全光智能傳感系統(tǒng)提供全新的科學方法和技術(shù)參考，設計理念也有望為智能光學材料及系統(tǒng)的設計構(gòu)建奠定良好的理論研究基礎。

圖一為spts的結(jié)構(gòu)及在人機交互系統(tǒng)中的應用。其能夠通過tiel和teng將觸摸刺激同時轉(zhuǎn)換為可見光和電信號，以實現(xiàn)對智能小車及視頻游戲的遠程控制。

圖二為alfs在微流控分析中的實際應用