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(lián)社會(huì)中新興的可穿戴和可修補(bǔ)電子產(chǎn)品的潛力引起了極大的興趣。特別是，由于電子皮膚（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、溫度和濕度，各種人機(jī)交互觸摸顯示屏已經(jīng)通過可視化壓力、溫度和濕度的局部變化來演示。不同的光學(xué)元件被用于開發(fā)觸摸交互顯示器，包括發(fā)光二極管（LED），電致變色，熱致變色，摩擦生電器件，以及交流（AC）驅(qū)動(dòng)的電致發(fā)光器件。盡管UID技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，但大多數(shù)顯示器都是基于光發(fā)射強(qiáng)度或色度反射強(qiáng)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(huì)更有利，從而使刺激物更加清晰可見。
最近，韓國延世大學(xué)Won Gun Koh和Cheolmin Park在《Science Advances》上發(fā)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，其基于薄的固態(tài)嵌段共聚物（BCP）光子晶體（PC）的多階反射結(jié)構(gòu)色（SCs）。全可見光SCs是在BCP-PC中開發(fā)的，BCP-PC由交替的片層組成，其中一層包含化學(xué)交聯(lián)、相互滲透的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。將非揮發(fā)性離子液體吸收到互穿網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)域中，可以通過使用多階光子反射來進(jìn)一步操縱SC，從而產(chǎn)生由反射顏色混合產(chǎn)生的前所未有的可見SCs。此外，通過使用吸濕性離子液體墨水，創(chuàng)建了可打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(shù)被有效地可視化。
1.光子晶體的制備與性能
通過在玻璃基片上旋涂BCP的丙二醇甲醚醋酸酯溶液制備了一層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(nèi)有序PS和P2VP片層交替組成。然后，用氯仿蒸汽在60℃下對薄膜進(jìn)行溶劑退火24小時(shí)，以形成明確的平行片層的平面內(nèi)取向。P2VP嵌段隨后通過在1-溴乙烷溶液（溶劑：己烷）中浸泡BCP膜24小時(shí)來季銨化。在薄膜完全干燥后，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(yōu)先擴(kuò)散到季銨化聚（2-乙烯基吡啶）（QP2VP）結(jié)構(gòu)域中并溶脹。然后用不同曝光時(shí)間（10至60 s）UV（波長為350 nm）照射具有水凝膠低聚物和引發(fā)劑的BCP膜，沖洗并去除未反應(yīng)的殘余低聚物，在QP2VP域中產(chǎn)生互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)（IHN）。
圖1互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)（IHN）實(shí)現(xiàn)BCP-PC的可見光 SC。利用EMITFSI或LiTFSI的非揮發(fā)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(shí)間的關(guān)系。（C） 最大反射波長與10到60秒紫外線曝光時(shí)間的函數(shù)關(guān)系圖。（D）玻璃基板上的IHN-BCP-PC薄膜的照片與紫外線曝光時(shí)間的關(guān)系。右端照片顯示其在近紅外（NIR）區(qū)域的最大反射。（E） 黑色紙張上的固態(tài)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(shí)間的增加而增加。因?yàn)榭商崛〉途畚锏臄?shù)量隨著輻照時(shí)間的延長而減少，IHN-QP2VP結(jié)構(gòu)域的厚度增加， BCP-PC的禁帶隨UV劑量發(fā)生紅移。因此可以通過控制紫外線照射時(shí)間控制SC顏色。
圖2 IHN-BCP-PC的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。
不同SCs的IHN-BCP-PC薄膜的（A到C）散射強(qiáng)度與qz的關(guān)系。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(lán)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(shí)驗(yàn)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(lán)色、綠色和紅色SCs的IHN-BCP-PC和不同發(fā)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(cè)。
通過在IHN-BCP-PC中添加非揮發(fā)性離子液體溶脹劑，可以得到了更豐富的可見光范圍SCs。選擇L-乙基-3-甲基咪唑雙-（三氟甲基磺?；?酰亞胺（EMIMTFSI）作為不易揮發(fā)且吸濕性最低的溶脹劑，可避免與離子液體相關(guān)的水分子的影響。薄膜的可見光SC僅歸因于一階反射，因?yàn)槎A反射仍處于UV區(qū)域，如I組所示。通過增加噴涂周期數(shù)進(jìn)一步添加EMIMTFSI，兩種反射都可以位于可見范圍內(nèi)，二階反射對薄膜的SC起主要作用，產(chǎn)生由兩種反射混合而產(chǎn)生的SC，如組II所示。在五個(gè)噴涂周期中，薄膜的可見SC主要來自二階和三階反射，導(dǎo)致其他多階SCs。
圖3離子液體摻雜IHN-BCP-PC的多階反射。
（A）通過改變噴涂周期，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從可見光范圍內(nèi)的一級峰產(chǎn)生的薄膜稱為I組。薄膜具有在可見范圍內(nèi)主要由二級反射引起的SCs被稱為II組。在可見光范圍內(nèi)，二階和三階反射混合產(chǎn)生的SC被稱為III組。（B）（A）中對應(yīng)于UV-vis光譜的IHN-BCP-PC薄膜的照片。（C） FDTD計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果也與模擬結(jié)果作為噴涂周期的函數(shù)（實(shí)心符號(hào)）繪制。（D） 膨脹比為2.4的IHN-BCP-PC的典型FDTD模擬結(jié)果。一級、二級和三級峰分別出現(xiàn)在1107、571、385nm處。（E） 光的添加混合示意圖。
2.結(jié)構(gòu)色顯示器
使用噴墨打印機(jī)，使得EMIMTFSI墨水直接沉積到IHN-BCP-PC膜上，可以獲得全彩顯示。由于膜的顏色取決于在給定區(qū)域中沉積的EMIMTFSI的量噴墨打印機(jī)只需要一種墨水即可沉積到IHN-BCP-PC膜上。在硅基片上制備了最大反射波長約為350nm的IHN-BCP-PC薄膜，然后以黑/灰/白對比度進(jìn)行噴墨打印?？梢缘玫?span style="font-weight: bold;">覆蓋整個(gè)可見光范圍的各種SCs。使用軟件將“一美元鈔票”的一部分圖像轉(zhuǎn)換成黑白對比圖像，然后，在IHN-BCP-PC膜上進(jìn)行EMIMTFSI噴墨打印，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上可打印和可重寫的SCs。
（A） 離子液體墨水在IHN-BCP-PC薄膜上的噴墨打印示意圖。（B） 不同濃度IL油墨印刷的IHN-BCP-PC薄膜的照片。（C） 計(jì)算機(jī)處理的一美元鈔票部分的黑白對比圖像。（D） 根據(jù)（C）中的對比度圖像，通過調(diào)整IL墨水濃度打印的SC圖像的照片。（E） 在IHN-BCP-PC薄膜上用IL打印的線的光學(xué)顯微鏡圖像，其顯示的SC線的分辨率約為50μm。IL墨水在（F）傳統(tǒng)紙張和（G）玻璃基板上打印IHN-BCP-PC的SC圖像。（H） 在可見光范圍內(nèi)由多階反射SCs產(chǎn)生的IHN-BCP-PC薄膜的IL-噴墨打印圖像的照片。（I） 用IL（紅色）印刷的IHN-BCP-PC薄膜的紫外-可見光譜，然后用干凈的PEGDA墊（黑色）去除IL。（J） 重復(fù)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，重復(fù)打印和擦除IL墨水。在IHN-BCP-PC膜上用IL打印的IHN-BCP-SC圖像（步驟1），然后用干凈的PEGDA墊去除IL。打印和擦除過程是可重復(fù)的（步驟2和3）。
使用EMIMTFSI打印在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，即在打印圖像上放置一個(gè)干凈的交聯(lián)PEGDA凝膠，去除噴到IHN BCP PC中的EMIMTFSI。由于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(kuò)散到水凝膠中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。
為了實(shí)現(xiàn)濕度依賴的SC變化，使用了另一種離子液體墨水，雙（三氟甲基磺酰）胺鋰鹽（LiTFSI），被稱為最具吸濕性的離子液體之一。水很容易被吸收到PC中并與LiTFSI配位，使IHN-QP2VP疇變厚并引起SC的紅移。當(dāng)吸收到IHN-BCP-PC的水?dāng)U散出去時(shí)，系統(tǒng)變得可逆。當(dāng)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(shí)，濕度從大約70變到40 RH%（環(huán)境相對濕度），導(dǎo)致SC從藍(lán)色、綠色到橙色的變化。因此他們開發(fā)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(jiān)控，將摻有LiTFSI的IHN-BCP-PC轉(zhuǎn)移到兩個(gè)平行的銦錫氧化物（ITO）電極上，該電極可根據(jù)吸濕量監(jiān)測PC的電容變化。
圖5 3D無接觸BCP結(jié)構(gòu)色敏顯示器。
（A） LiTFSI摻雜的IHN-BCP-PC中濕敏SC變化的示意圖。（B）帶有摻LiTFSI的IHN-BCP PC的雙端并行式3D無接觸傳感顯示器的示意圖。高度1（h1）高于高度2（h2）。（C） 相對濕度隨手指到PC距離的變化。（D） LiTFSI摻雜的IHN-BCP-PCs在相對濕度為40-90%的條件下的照片。（E） 當(dāng)一根手指靠近表面時(shí)，摻LiTFSI的IHN-BCP PC的SC照片。（F） 當(dāng)手指與PC之間的距離從15、9、5和3毫米變化時(shí)，摻LiTFSI的IHN-BCP-PC的三維無接觸傳感顯示器的電容變化。（G） 重復(fù)改變手指到PC距離時(shí)，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(diǎn)小結(jié)
作者演示了一種基于BCP PC和IHN的用戶交互式3D非接觸傳感顯示器。在BCP-PC微區(qū)中使用化學(xué)交聯(lián)的IHN，實(shí)現(xiàn)了BCP-PC微區(qū)的簡單膨脹，產(chǎn)生了柔軟但堅(jiān)固的全可見光SCs，其有效模量為幾百M(fèi)Pa。當(dāng)一種非揮發(fā)性離子液體溶脹劑被吸收到互穿網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)域中時(shí)，在可見光區(qū)不僅出現(xiàn)一階光子反射，而且還出現(xiàn)二階和三階光子反射，產(chǎn)生了更豐富的可見光SCs。多階反射SC偽固態(tài)IHN-BCP PC與作為印刷油墨的各種離子液體摻雜劑結(jié)合，成功地應(yīng)用于可打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(jiān)控手指接近（z）和橫向位置（x和y），展示了一種固態(tài)傳感器和顯示器的新方法.
