背景介紹
用戶交互顯示器（UID）允許直觀地顯示觸摸、氣味和聲音等可感知但不可見的信息，它們在即將到來的超級互聯社會中新興的可穿戴和可修補電子產品的潛力引起了極大的興趣。特別是，由於電子皮膚（e-skins）的巨大需求，可以人工模擬人體皮膚的特性，如感知壓力、溫度和溼度，各種人機互動觸摸顯示屏已經通過可視化壓力、溫度和溼度的局部變化來演示。不同的光學元件被用於開發觸摸交互顯示器，包括發光二極體（LED），電致變色，熱致變色，摩擦生電器件，以及交流（AC）驅動的電致發光器件。儘管UID技術取得了很大的進展，但大多數顯示器都是基於光發射強度或色度反射強度的變化來表示刺激程度。隨著刺激物的變化而改變顏色可能會更有利，從而使刺激物更加清晰可見。
最近，韓國延世大學Won Gun Koh和Cheolmin Park在《Science Advances》上發表了題為「3D touchless multiorder reflection structural color sensing display」的文章，提出了一種用戶交互式三維無接觸傳感顯示器，其基於薄的固態嵌段共聚物（BCP）光子晶體（PC）的多階反射結構色（SCs）。全可見光SCs是在BCP-PC中開發的，BCP-PC由交替的片層組成，其中一層包含化學交聯、相互滲透的水凝膠網絡。將非揮發性離子液體吸收到互穿網絡的結構域中，可以通過使用多階光子反射來進一步操縱SC，從而產生由反射顏色混合產生的前所未有的可見SCs。此外，通過使用吸溼性離子液體墨水，創建了可列印的三維無接觸交互式顯示器，其中人類手指在不同的SCs中的三維位置作為手指與顯示距離的函數被有效地可視化。
圖文導讀
1.光子晶體的製備與性能
通過在玻璃基片上旋塗BCP的丙二醇甲醚醋酸酯溶液製備了一層700 nm厚的聚苯乙烯嵌段聚（2-乙烯基吡啶）（PS-b-P2VP）薄膜，該薄膜由面內有序PS和P2VP片層交替組成。然後，用氯仿蒸汽在60℃下對薄膜進行溶劑退火24小時，以形成明確的平行片層的平面內取向。P2VP嵌段隨後通過在1-溴乙烷溶液（溶劑：己烷）中浸泡BCP膜24小時來季銨化。在薄膜完全乾燥後，將PEGDA低聚物、2-羥基2-甲基苯丙酮（HOMPP）和Triton X在去離子（DI）水中的混合物攤鋪到薄膜表面，使溶液優先擴散到季銨化聚（2-乙烯基吡啶）（QP2VP）結構域中並溶脹。然後用不同曝光時間（10至60 s）UV（波長為350 nm）照射具有水凝膠低聚物和引發劑的BCP膜，衝洗並去除未反應的殘餘低聚物，在QP2VP域中產生互穿水凝膠網絡（IHN）。
圖1互穿水凝膠網絡嵌段共聚物光子晶體。
（A） 具有多階反射SCs的BCP-PC顯示器示意圖。利用在PQ2VP域的PEGDA互穿水凝膠網絡（IHN）實現BCP-PC的可見光 SC。利用EMITFSI或LiTFSI的非揮發性離子液體，在IHN-BCP-PC中混合多階反射SCs，得到更豐富的SCs。（B） 玻璃上IHN-BCP-PC薄膜的紫外可見光譜（UV-vis）與紫外曝光時間的關係。（C） 最大反射波長與10到60秒紫外線曝光時間的函數關係圖。（D）玻璃基板上的IHN-BCP-PC薄膜的照片與紫外線曝光時間的關係。右端照片顯示其在近紅外（NIR）區域的最大反射。（E） 黑色紙張上的固態柔性IHN-BCP PC照片。
IHN-BCP-PC的最大反射波長隨著紫外線照射時間的增加而增加。因為可提取低聚物的數量隨著輻照時間的延長而減少，IHN-QP2VP結構域的厚度增加， BCP-PC的禁帶隨UV劑量發生紅移。因此可以通過控制紫外線照射時間控制SC顏色。
圖2 IHN-BCP-PC的結構和力學性能。
不同SCs的IHN-BCP-PC薄膜的（A到C）散射強度與qz的關係。從左至右：具有不同SCs的IHN-BCP-PC薄膜的橫截面明亮場TEM圖像：（D）藍色（片層周期151 nm），（E）綠色（片層周期181 nm）和（F）紅色（片層周期203 nm）。從左至右：（G）順序加載、保持和卸載納米壓痕實驗示意圖。（H） PS-b-P2VP和具有紅色SC的IHN-BCP-PC的力-距離曲線。（I）PS-b-P2VP、具有不同藍色、綠色和紅色SCs的IHN-BCP-PC和不同發射量的IHN-BCP-PC的有效模量。PEGDA水凝膠的有效模量也顯示在右側。
通過在IHN-BCP-PC中添加非揮發性離子液體溶脹劑，可以得到了更豐富的可見光範圍SCs。選擇L-乙基-3-甲基咪唑雙-（三氟甲基磺醯基）-醯亞胺（EMIMTFSI）作為不易揮發且吸溼性最低的溶脹劑，可避免與離子液體相關的水分子的影響。薄膜的可見光SC僅歸因於一階反射，因為二階反射仍處於UV區域，如I組所示。通過增加噴塗周期數進一步添加EMIMTFSI，兩種反射都可以位於可見範圍內，二階反射對薄膜的SC起主要作用，產生由兩種反射混合而產生的SC，如組II所示。在五個噴塗周期中，薄膜的可見SC主要來自二階和三階反射，導致其他多階SCs。
圖3離子液體摻雜IHN-BCP-PC的多階反射。
（A）通過改變噴塗周期，在玻璃基板上用5 wt%的EMIMTFSI油墨溶脹的IHN-BCP-PC薄膜的UV-vis光譜。其SCs從可見光範圍內的一級峰產生的薄膜稱為I組。薄膜具有在可見範圍內主要由二級反射引起的SCs被稱為II組。在可見光範圍內，二階和三階反射混合產生的SC被稱為III組。（B）（A）中對應於UV-vis光譜的IHN-BCP-PC薄膜的照片。（C） FDTD計算了不同膨脹率（α）的IHN-BCP-pc的禁帶位置。α定義為IHN-QP2VP的疇大小除以具有EMIMTFSI的IHN-QP2VP的疇大小。（A）的實驗結果也與模擬結果作為噴塗周期的函數（實心符號）繪製。（D） 膨脹比為2.4的IHN-BCP-PC的典型FDTD模擬結果。一級、二級和三級峰分別出現在1107、571、385nm處。（E） 光的添加混合示意圖。
2.結構色顯示器
使用噴墨印表機，使得EMIMTFSI墨水直接沉積到IHN-BCP-PC膜上，可以獲得全彩顯示。由於膜的顏色取決於在給定區域中沉積的EMIMTFSI的量噴墨印表機只需要一種墨水即可沉積到IHN-BCP-PC膜上。在矽基片上製備了最大反射波長約為350nm的IHN-BCP-PC薄膜，然後以黑/灰/白對比度進行噴墨列印。可以得到覆蓋整個可見光範圍的各種SCs。使用軟體將「一美元鈔票」的一部分圖像轉換成黑白對比圖像，然後，在IHN-BCP-PC膜上進行EMIMTFSI噴墨列印，成功地從黑/灰/白圖像中重建出與原稿非常相似的全色SC圖像。
圖4 IHN BCP PC上可列印和可重寫的SCs。
（A） 離子液體墨水在IHN-BCP-PC薄膜上的噴墨列印示意圖。（B） 不同濃度IL油墨印刷的IHN-BCP-PC薄膜的照片。（C） 計算機處理的一美元鈔票部分的黑白對比圖像。（D） 根據（C）中的對比度圖像，通過調整IL墨水濃度列印的SC圖像的照片。（E） 在IHN-BCP-PC薄膜上用IL列印的線的光學顯微鏡圖像，其顯示的SC線的解析度約為50μm。IL墨水在（F）傳統紙張和（G）玻璃基板上列印IHN-BCP-PC的SC圖像。（H） 在可見光範圍內由多階反射SCs產生的IHN-BCP-PC薄膜的IL-噴墨列印圖像的照片。（I） 用IL（紅色）印刷的IHN-BCP-PC薄膜的紫外-可見光譜，然後用乾淨的PEGDA墊（黑色）去除IL。（J） 重複寫入和擦除過程的最大反射波長值。（K） 不同IHN-BCP-SC圖像的照片，重複列印和擦除IL墨水。在IHN-BCP-PC膜上用IL列印的IHN-BCP-SC圖像（步驟1），然後用乾淨的PEGDA墊去除IL。列印和擦除過程是可重複的（步驟2和3）。
使用EMIMTFSI列印在IHN BCP PC膜上的SCs噴墨可以多次擦除和重寫。利用油墨吸收劑，即在列印圖像上放置一個乾淨的交聯PEGDA凝膠，去除噴到IHN BCP PC中的EMIMTFSI。由於IHN BCP PC和水凝膠層之間形成了較大的EMIMTFSI濃度梯度，噴射的EMIMTFSI擴散到水凝膠中，實現系統復位。
為了實現溼度依賴的SC變化，使用了另一種離子液體墨水，雙（三氟甲基磺醯）胺鋰鹽（LiTFSI），被稱為最具吸溼性的離子液體之一。水很容易被吸收到PC中並與LiTFSI配位，使IHN-QP2VP疇變厚並引起SC的紅移。當吸收到IHN-BCP-PC的水擴散出去時，系統變得可逆。當手指與LiTFSI摻雜IHN-BCP-PC表面的距離從1毫米改變到15毫米時，溼度從大約70變到40 RH%（環境相對溼度），導致SC從藍色、綠色到橙色的變化。因此他們開發出一種3D無接觸交互式顯示器，其中z軸手指信息隨著電容和SC的變化而監控，將摻有LiTFSI的IHN-BCP-PC轉移到兩個平行的銦錫氧化物（ITO）電極上，該電極可根據吸溼量監測PC的電容變化。
圖5 3D無接觸BCP結構色敏顯示器。
（A） LiTFSI摻雜的IHN-BCP-PC中溼敏SC變化的示意圖。（B）帶有摻LiTFSI的IHN-BCP PC的雙端並行式3D無接觸傳感顯示器的示意圖。高度1（h1）高於高度2（h2）。（C） 相對溼度隨手指到PC距離的變化。（D） LiTFSI摻雜的IHN-BCP-PCs在相對溼度為40-90%的條件下的照片。（E） 當一根手指靠近表面時，摻LiTFSI的IHN-BCP PC的SC照片。（F） 當手指與PC之間的距離從15、9、5和3毫米變化時，摻LiTFSI的IHN-BCP-PC的三維無接觸傳感顯示器的電容變化。（G） 重複改變手指到PC距離時，3D非接觸傳感顯示器的電容變化。3D無接觸傳感顯示器陣列示意圖（H）和照片（I）。（J） 用手指靠近陣列表面，從三維無接觸傳感顯示器陣列獲得三維電容變化圖。
亮點小結
作者演示了一種基於BCP PC和IHN的用戶交互式3D非接觸傳感顯示器。在BCP-PC微區中使用化學交聯的IHN，實現了BCP-PC微區的簡單膨脹，產生了柔軟但堅固的全可見光SCs，其有效模量為幾百MPa。當一種非揮發性離子液體溶脹劑被吸收到互穿網絡的結構域中時，在可見光區不僅出現一階光子反射，而且還出現二階和三階光子反射，產生了更豐富的可見光SCs。多階反射SC偽固態IHN-BCP PC與作為印刷油墨的各種離子液體摻雜劑結合，成功地應用於可列印和可重寫顯示器以及3D非接觸傳感顯示器中，通過電容和SC變化精確監控手指接近（z）和橫向位置（x和y），展示了一種固態傳感器和顯示器的新方法。
全文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/6/30/eabb5769
作者：Yet 來源：高分子科學前沿
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