北航&中科院纳米能源所：一种基于摩擦起电触发液晶排列的自驱动光学开关用于无线传感

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人机交互界面作为人机间相互施加影响的区域，可以使人类很好地控制与操作机器，并且得到其反馈的信息。近年来，人机交互界面在无线传感器、便携式可穿戴电子、安全与安防系统、工业自动化、以及物联网等领域展现出了巨大的应用潜力，因此受到了越来越多的关注。而且，随着各种发电技术的飞跃发展，比如：太阳能光伏、热电、压电技术等，自驱动的人机交互系统也成为了研究的焦点。

其中，通过将摩擦纳米发电机作为电源和激励源，一系列自驱动的机电系统被相继报道，涵盖了各个应用领域，包括电化学、微流体控制、光学调节、静电驱动等。这些研究进展都证实了摩擦纳米发电机应用于人机交互系统的实际适用性。然而，上述提到的自驱动的光学系统研究较少，且其广泛应用依然被自身的缺陷所限制。比如说，目前报道的基于弹性体的光学调制器，因其较高的驱动电压、慢的响应速率、窄的调光范围以及复杂的制备工艺，难以实现被广泛的采用。因此，如何改善这类自驱动光学系统的缺陷与不足，使其能够被广泛和直接地应用也成为我们亟待解决的问题。

近日，北京航空航天大学陈爱华研究团队和中科院北京纳米能源与系统研究所朱光研究团队、王中林院士研究团队通过采用单电极摩擦纳米发电机和聚合物分散液晶薄膜制备了一种新型的自驱动光学开关（图1），其工作原理为利用接触摩擦起电产生的电压驱动液晶分子的排列，从而使聚合物分散液晶薄膜能够快速地在初始的半透明态和瞬时的透明态之间切换。为了实现两种状态下鲜明的对比度，液晶微滴的尺寸被调节至500 nm左右，此时光学开关的透过光相对光强的调节范围为0.05至0.85，表现出非常好的光开关效果（图2）。基于上述原理，一系列机械参数包括：接触材料的种类、接触面积、接触速度和分离距离对光学开关的机械-电-光性能的影响被系统地研究。此外，将该光学开关与可见光控制电路进行集成，得到了具有完全无源化传感节点的无线传感系统（图3），该系统在许多人机交互应用中展现出了巨大的应用潜力，比如：安全与安防系统、远程操作、自动化控制等。

图1 基于单电极摩擦纳米发电机和PDLC光学器件的自驱动光学开关：(a) 结构示意图；(b) 理论电学模型示意图；(c) PTFE薄膜刻蚀前（左）、后（右）的表面扫描电镜图；(d) PDLC器件电光效应的原理示意图。

图2 PDLC器件的电光性能：(a) 施加在PDLC器件上的正弦电压信号；(b) PDLC器件在不同电压下的原位紫外可见透光率光谱；(c) PDLC器件在波长为560 nm处的透光率随电压的变化；(d) PDLC器件在不同电压下的光学照片。

图3 以自驱动光学开关为传感节点的无线报警系统：(a) 系统工作的电路示意图；(b) 手触摸和脚踩踏时，光学开关的电光性能；(c)，(d) 手触摸和(e)，(f) 脚踩踏触发的无线报警展示。

这一成果以题为“Self-Powered Optical Switch Based on Triboelectrification-Triggered Liquid Crystal Alignment for Wireless Sensing”发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者为北航材料学院博士研究生张臣。该研究为自驱动光学系统的设计提供了一种新的策略，并展示了其在人机交互领域应用的可能性。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808633

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