水凝胶薄膜+3D打印光子晶体，实现基于结构色的湿度传感器

如今，湿度传感器已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。特别是，采用电子测量原理的湿度传感器已成为标准。虽然这些传感器已被证明是一种稳定的测量方法，但它们也有一些缺点，例如响应时间长或在爆炸性环境中使用的危险性等。

据麦姆斯咨询报道，近日，格拉茨技术大学（Graz University of Technology）的研究人员介绍了光子晶体作为一种替代性光学测量方法的湿度传感器。研究人员将超快双光子聚合（2PP）打印的新技术与薄膜沉积工艺（iCVD）相结合，能够打印出大面积、高精度的3D模板，随后用20 nm的湿度响应性水凝胶薄膜（pHEMA）对其进行涂覆。研究人员能够突破双光子聚合技术的极限，制备出稳定和周期性的大面积3D结构。水凝胶在环境条件下的灵活定制使其在广泛的传感应用中极具前景。相关研究成果以“Structural Colored Based Humidity Sensor Consisting of High Resolution 3D Printed Photonic Crystal Coated with Ultra-Thin Responsive Hydrogels”为题发表在Macromolecular Rapid Communications期刊上。

在这项工作中，研究人员展示了结合iCVD制造坚固的2PP 3D打印结构的能力。使用超快2PP打印技术来创建大型、稳定和周期性的结构，该结构可以使用iCVD涂覆超薄水凝胶膜。2PP打印树脂作为光子模板，在iCVD沉积过程中，水凝胶薄膜的厚度可以精确控制，而线宽和线间距可以用2PP打印机以高分辨率精确制造。

iCVD沉积后的顶视图示意图

光学显微镜下3D 2PP打印模板示意图：（a）打印后；（b）收缩后；（c）iCVD沉积后

此外，研究人员发现所制备结构的颜色变化与相对湿度水平之间存在明显的相关性。湿度的增加使得沉积的水凝胶膨胀，导致iCVD涂覆的光子结构发生明显的颜色变化。可以观察到基于不同相对湿度水平的清晰颜色转变。在低湿度水平下，可观察到的颜色变化最小。这种现象可以用水凝胶薄膜特有的膨胀机制来解释，在高湿度下显著膨胀占据主导地位。

相对湿度增加的测量结果

值得一提的是，水凝胶在对环境条件的反应中表现出优异的灵活性。因此，传感层可以被修饰以响应相对湿度以外的参数。这些特性使水凝胶成为各种工业应用中传感层的有前途的替代选择。

这项研究的长期目标是设计一种紧凑型设备，通过智能手机或类似设备以光学方式测量相对湿度。因此，在未来的计划中，研究人员将致力于改善可打印区域的大小并提高光学系统的效率。

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.202400111

审核编辑：刘清