变色传感器提供了一种跟踪运动和压力的新方法

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，难以准确捕捉微妙的信号，灵活性和易用性有限

这些缺点使得它们在需要适应性、精度和用户友好性的应用中效果较差，例如实时健康监测或运动跟踪

为了应对这些挑战，中南大学的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，可以根据机械应力改变颜色

他们的研究于2024年10月15日发表在《化学工程杂志》上，强调了传感器作为一种无需电源、多功能工具的潜力。该设备将柔性聚合物与创新的纳米粒子相结合，为实时健康和活动跟踪提供了一种可靠、用户友好的解决方案

传感器是使用磁等离子体纳米颗粒（MagPlas NP）构建的。这些纳米粒子具有银核（60 nm）和氧化铁（Fe3O4）壳，这有助于它们与光和磁场相互作用。它们是使用一种称为溶剂热合成的方法生产的，该方法在高温下控制化学反应，以大量产生高度均匀的颗粒

传感器设计的一个关键部分是MagPlas NP的排列。当将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，颗粒在表面紧密堆积在一起，而不是渗入孔中

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

然后将这些APA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变色。通过将纳米粒子尺寸调整在91至284纳米之间，研究人员控制了传感器的颜色变化

最明显的颜色变化——从蓝色到红色——发生在颗粒尺寸为176纳米时。即使在反复拉伸后，这些颜色变化也是完全可逆和稳定的，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，它可以作为一种可穿戴设备来跟踪膝盖弯曲、颈部转动等动作，甚至心跳或眼睛抽搐等细微动作。该传感器还可以通过视觉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

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展望未来，该传感器将为动态显示和安全数据存储带来新的可能性。例如，研究人员创建了一种特殊的“数据矩阵”代码，只有在传感器被拉伸时才能看到。在未来5到10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

它们在没有电源的情况下工作的能力使其非常适合在深海任务或太空探索等偏远或极端环境中使用。李教授补充道：“无电源传感器和光学设备对可持续和绿色技术的未来有着巨大的影响。” More information: Huu-Quang Nguyen et al, Mechanochromic strain sensor by magnetoplasmonic amorphous photonic arrays, Chemical Engineering Journal (2024). DOI: 10.1016/j.cej.2024.155297

Journal information: Chemical Engineering Journal