【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】面向新一代光學(xué)器件發(fā)展需求，構(gòu)建集成多模式光學(xué)信號(hào)的刺激響應(yīng)型器件備受關(guān)注。然而，制備方法的差異與發(fā)光機(jī)制的非相關(guān)性嚴(yán)重制約了物理微結(jié)構(gòu)與化學(xué)發(fā)光單元的兼容性。另外，形變誘導(dǎo)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換因不依賴外部能量輸入、響應(yīng)速度快和靈敏度高而受到日益增多的關(guān)注。但目前所報(bào)道的此類光學(xué)器件的制備過程復(fù)雜，輸出的光信號(hào)單一，視覺效果與轉(zhuǎn)換效率十分有限，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)形變驅(qū)動(dòng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換和多光模式集成的器件策略較少。因此，開發(fā)能夠協(xié)同調(diào)控刺激響應(yīng)矩陣、物理光調(diào)制結(jié)構(gòu)與化學(xué)發(fā)光單元的一體化設(shè)計(jì)策略仍面臨重大挑戰(zhàn)。
由單分散磷光SiO2納米球制備的多光學(xué)形態(tài)彈性體的形變誘導(dǎo)光學(xué)信號(hào)切換特性示意圖
針對(duì)這一難題，西安交通大學(xué)物理學(xué)院研究人員創(chuàng)新性地提出了集成透射光、散射光、熒光(FL)和室溫磷光(RTP)的多模式光學(xué)信號(hào)響應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)建策略。通過高溫煅燒包覆熒光碳點(diǎn)(CDs)的單分散SiO?納米球(SiO? NPs)，成功制備出兼具單分散特性、均勻球形形貌與長(zhǎng)壽命室溫磷光的RTP-SiO? NPs，實(shí)現(xiàn)了物理光調(diào)制結(jié)構(gòu)與化學(xué)發(fā)光的有效兼容。進(jìn)一步將RTP-SiO? NPs與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合，構(gòu)建了多光學(xué)形態(tài)集成的彈性體(MOME)。在外力拉伸或擠壓作用下，材料內(nèi)部微裂紋和微空隙的形成導(dǎo)致折射率失配，使MOME呈現(xiàn)從透明態(tài)向白色散射態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變。尤為突出的是，形變誘導(dǎo)的散射增強(qiáng)顯著提升了材料的FL和RTP發(fā)光強(qiáng)度。此外，MOME還展現(xiàn)出獨(dú)特的動(dòng)態(tài)調(diào)控特性，包括磷光衰減過程中的形變調(diào)控效應(yīng)、溶劑-形變協(xié)同響應(yīng)的光學(xué)開關(guān)行為等。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，這是目前首例實(shí)現(xiàn)形變誘導(dǎo)FL與RTP自散射增強(qiáng)且動(dòng)態(tài)可逆調(diào)控的報(bào)道。
基于上述特性，MOME獨(dú)特的機(jī)械形變響應(yīng)光學(xué)行為在水下機(jī)械力(水壓、水流、水沖擊等)傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。通過協(xié)同利用MOME的光散射調(diào)制特性及其形變依賴的FL/RTP發(fā)光特性，研究人員系統(tǒng)探索了該材料作為光學(xué)傳感裝置在水下管道位移偏差、泄漏檢測(cè)、泄漏速率評(píng)估、管道膨脹及局部異常凸起等工況的實(shí)時(shí)可視化感知與監(jiān)測(cè)應(yīng)用。該研究成果為多模式光學(xué)集成器件的設(shè)計(jì)提供了突破性解決方案。具有多信號(hào)輸出的響應(yīng)型光學(xué)器件的成功構(gòu)建，為實(shí)現(xiàn)器件光學(xué)信號(hào)與響應(yīng)效率的多維度調(diào)控提供了機(jī)會(huì)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
基于MOME的形變誘導(dǎo)的散射調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下管道間距，位移偏移和溶劑泄漏傳感
該工作以“Deformation-Induced Multioptical Morphology Elastomer Constructed from Phosphorescent Nanospheres for Underwater Mechanical Sensing”為題發(fā)表在《ACS Nano》上，西安交通大學(xué)物理學(xué)院為唯一通訊單位，文章第一作者是西安交通大學(xué)物理學(xué)院博士生王昌興，西安交通大學(xué)物理學(xué)院盧學(xué)剛教授、楊森教授為論文通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金和陜西省自然科學(xué)基金的支持，也得到了西安交通大學(xué)大型儀器設(shè)備共享實(shí)驗(yàn)中心提供的相關(guān)表征和分析支持。
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