Nano Res.│综述：柔性可穿戴器件功能光子结构

研究背景

可穿戴设备可以通过生命体征获取诸如葡萄糖水平、温度、血压和血氧饱和度等信息。然而，对异常天气和大流行性病原体等快速环境变化的检测超出了人类生理适应的范围。

在光子结构和材料方面的最新进展使探测和管理外部环境刺激(如光、污染物、化学物质、病毒和热)成为可能。

成果简介

光州科技学院Young Jin Yoo等人综述了使用柔性光子结构和材料检测/管理外部环境刺激的最新技术，并强调了这些光学/热方案与柔性可穿戴设备的融合。文章首先介绍了在外部环境刺激下进行整体内部/外部护理的概念，接着介绍了在柔性基板和可穿戴设备上的光子结构和多功能应用，以及在柔性基板上近来普遍使用的技术。

要点1：用于周围监视/管理的外部光子结构

图1.可穿戴设备可以在光、污染、化学物质、热和病毒等环境刺激下进行外部交互，从而促进了外部/内部护理。

通过外部感知和管理进行主动的内部护理可能会成为预防人类疾病的主要预防机制。图1概述了配置有外部光子结构的外部/内部护理，用于检测和管理外部环境刺激。

要点2：用于紫外-可见-近红外范围内的外部监测的光子结构

图2. 具有可穿戴设备灵活性的各种类型的光子结构。

受自然的启发，结构色彩方案的周边依赖性为各种外部环境刺激的视觉监测提供了可能性。在可见光谱中由透射/反射倾角引起的结构颜色遵循减色法。为了灵敏地吸收可见光以实现更高的着色饱和度，纳米结构的周期性微阵列可以支持色纯度的提高。

图3. 具有功能材料的外部调制结构。

比色检测的有效方法是利用光子结构的结构颜色来创建受环境影响的可变色材料。有机层的膨胀/收缩改变了该结构的共振/干涉条件，从而通过动态颜色变化实现湿度传感。

要点3：红外管理

图4. 热管理。

图5. 红外管理。

被动辐射冷却是有效的，因为它不仅可以解决设备加热的问题，也可以解决电池供电的问题。策略涉及定制太阳能（300–2,500 nm）和远红外光谱范围（8–13μm）中的电磁光谱，以最大程度地减少热增益并最大化外发热辐射，从而实现无能耗的冷却。中远红外光谱范围(λ ~ 2-20 μm)特别重要，因为各种传感和检测系统都适用于这个范围。

小结

为了在微型化的柔性/可穿戴设备上充分发挥这种外部光子结构的潜力，应该开发智能算法/策略、程序设计和其他理论工具。同时，为了能附着在人体上并被利用，需要在不同的表面和形状上制造，这样就必须验证有机/无机组件的整合性、抗重复变形的耐久性和外部环境的耐受性。最后，由于实际的器件集成需要轻便、低成本和简单的设置，需要多模态和跨学科的方法来克服经典研究领域存在的一个基本限制。

文章信息

Young Jin Yoo, Se-Yeon Heo, Yeong Jae Kim, Joo Hwan Ko, Zafrin Ferdous Mira & Young Min Song^*. Functional photonic structures for external interaction with flexible/wearable devices. Nano Research https://doi.org /10.1007/s12274-021-3388-x.

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