基于羟丙基纤维素的可生物降解机械变色显示技术研究

作者及发表信息

本研究由Charles H. Barty-King、Maxime Burgonse、Silvia Vignolini、Jeremy Baumberg和Michael De Volder合作完成，于2025年5月9日发表在《Advanced Materials》期刊上，文章标题为”Mechanochromic, Low-Cost, and Structurally Colored Displays Using Biodegradable Hydroxypropyl Cellulose”，DOI号为10.1002/adma.202418880。

学术背景

本研究属于功能材料与柔性电子交叉领域，聚焦于机械变色(mechanochromic)材料的开发与应用。羟丙基纤维素(Hydroxypropyl Cellulose, HPC)作为一种无毒、低成本且可生物降解的原材料，已在医疗、制药和食品工业中得到广泛应用。近年来，HPC因其独特的机械变色特性（即在应变作用下发生颜色变化）而备受关注。虽然已知HPC可以自组装形成具有机械变色特性的材料，并已应用于食用色素和光学应变传感器等领域，但基于HPC的机械变色显示器尚未见报道。本研究旨在解决这一挑战，通过将薄层机械变色HPC薄膜与微流体可膨胀微执行器阵列相结合，首次系统测量了HPC薄膜在不同尺度下的机械变色应变敏感性、颜色分辨率、响应时间和工作频率等关键参数。

研究流程与方法

1. 器件设计与制备

研究团队采用软光刻和微流控技术开发了微执行器阵列。具体流程包括： - PDMS微执行器制造：通过旋涂制备薄层PDMS膜，并将其与预先设计有腔体和微通道的”块状PDMS”基底键合。使用三种不同厚度(0.5mm、1.0mm和1.5mm)的HPC薄膜涂覆在PDMS膜上，并用玻璃板密封。 - HPC配方制备：所有HPC样品均在水溶剂中使用行星离心混合器配制，水含量为35wt.%，并添加0.005wt.%的尼格罗辛染料以增强对比度。制备过程包括润湿步骤(1600rpm, 2分钟)、浸泡步骤(0rpm, 2分钟)和均匀混合步骤(1800rpm, 2分钟)。

2. 实验系统搭建

研究团队开发了完整的实验控制系统： - 压力控制系统：使用定制代码(Python 3)控制电子开关(螺线管开关)和数字调节器，精确调控微执行器的压力。 - 光学记录系统：采用彩色USB摄像头记录HPC的机械变色响应，并通过图像处理软件(FFmpeg、ImageJ和MATLAB)分析数据。颜色值通过RGB到HSL色彩空间转换以色相(度°)报告。

3. 系统性测试

研究进行了四个方面的系统性测试： 1. 机械变色应变敏感性测试：在不同厚度HPC薄膜上施加10-150kPa的供给压力，测量颜色变化与应变的关系。 2. 像素尺寸和形状影响测试：评估圆形和方形像素(直径100-1000µm)对机械变色效果的影响。 3. 响应时间测试：使用1秒的压力脉冲，测量不同HPC厚度下的上升时间和弛豫时间常数。 4. 频率响应测试：在0.1-10Hz频率范围内，测试HPC在循环条件下的颜色变化幅度。

主要研究结果

1. 机械变色应变敏感性

研究发现HPC的机械变色响应与应变呈非线性关系，遵循幂律关系(δHue = a×ε^1.31±0.11)。在150kPa压力下，0.5mm厚HPC的最大色相变化(δhue)约为168°，1.0mm厚约为86°，1.5mm厚约为34°。机械变色压力灵敏度分别为1.20°kPa^-1(0.5mm)、0.57°kPa^-1(1.0mm)和0.21°kPa^-1(1.5mm)。

2. 像素尺寸效应

研究表明，像素直径增加会导致更大的执行器位移和颜色变化。最小显示颜色变化的像素尺寸约为400-500µm，小于300µm的像素无法产生可观察的颜色变化。这主要受限于PDMS位移量和HPC厚度。

3. 响应时间特性

HPC器件的平均上升时间分别为：0.5mm厚≈45±16ms，1.0mm厚≈71±9ms，1.5mm厚≈129±29ms。机械变色弛豫时间常数τ平均为52±13ms，与HPC厚度和施加应变无关。

4. 频率响应特性

研究发现HPC的机械变色在循环条件下会出现衰减(最小≈27-30%)，这与其剪切稀化(shear-thinning)流变特性相关。在10Hz时，1.5mm、1.0mm和0.5mm厚HPC器件的最大衰减分别约为65%、80%和82%。

5. 应变阈值现象

研究首次报道了HPC存在≈25-27%的应变阈值，超过此阈值后HPC会从粘弹性响应转变为更流动的状态。这一发现为理解HPC的复杂流变行为提供了新见解。

研究结论与价值

本研究首次系统探索了基于HPC的机械变色显示器技术，取得了以下重要成果： 1. 科学价值：揭示了HPC机械变色行为与应变之间的定量关系，发现了应变阈值现象，为理解HPC的相变和流动行为提供了新视角。 2. 技术创新：开发了结合微流控执行器和HPC薄膜的新型显示架构，实现了像素级颜色控制。 3. 应用前景：虽然当前器件的响应速度(最快5Hz)尚不能满足常规显示器需求(60Hz)，但在电子阅读器、交互式显示器和大型广告牌等对刷新率要求较低的应用中具有潜力。此外，HPC的可生物降解、无毒和低成本特性使其成为环境友好型显示技术的理想候选材料。

研究亮点

1. 材料创新：首次将HPC应用于显示技术领域，拓展了生物基材料的应用范围。
2. 方法创新：开发了基于微流控的精密应变控制技术，实现了对HPC颜色变化的精确调控。
3. 发现创新：首次报道了HPC的应变阈值现象，为理解其流变行为提供了新视角。
4. 跨学科融合：结合了软物质物理、微流控技术和显示工程等多个领域的前沿技术。

其他有价值内容

研究还探讨了通过添加明胶等凝胶剂来优化HPC流动特性的可能性，这可以抑制高应变下的横向流动，提高空间分辨率和应变阈值。此外，研究团队提出了垂直集成空气供应入口的设计思路，可显著提高像素密度，为未来研究指明了方向。