近日，秦皇島分校趙勇教授團(tuán)隊教師在高性能摩擦誘導(dǎo)電致發(fā)光材料的設(shè)計及應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，其中一項研究成果“a liquid-solid contact electrification based all-optical liquid flow sensor for microfluidic analysis in biomedical applications（用于生物醫(yī)學(xué)微流控分析中的液-固接觸式全光流量傳感器）”發(fā)表于材料領(lǐng)域國際頂級刊物advanced functional materials。另一項成果“porous-structure-promoted tribo-induced high-performance self-powered tactile sensor toward remote human-machine interaction（多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)的高性能摩擦自供電觸覺傳感器及其遠(yuǎn)程人機(jī)交互）”發(fā)表于材料領(lǐng)域國際頂級刊物advanced science。秦皇島分校教師蘇麗為兩篇論文的第一作者，東北大學(xué)秦皇島分校為第一完成單位。該成果促進(jìn)了秦皇島分校光學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展，提升了海洋光電信息感知研究團(tuán)隊成果水平。

近年來，許多智能光學(xué)材料由于具有高分辨率、直觀性及遠(yuǎn)距離無線光傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)勢，成為了自驅(qū)動傳感器中具有希望的候選者。其中，摩擦誘導(dǎo)電致發(fā)光(tiel)材料，因其低應(yīng)力閾值和高應(yīng)力響應(yīng)率，引起了研究者們的廣泛關(guān)注，在防偽、實時可視化傳感、人機(jī)交互、清潔光源等領(lǐng)域均展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著對智能光學(xué)傳感系統(tǒng)低功耗及高傳感精度需求的不斷增高，現(xiàn)有摩擦誘導(dǎo)電致發(fā)光材料發(fā)光性能的提升手段和效果仍十分有限，嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用進(jìn)程。基于此，趙勇教授團(tuán)隊與香港科技大學(xué)（廣州）合作，圍繞材料制備-作用機(jī)制-性能優(yōu)化-應(yīng)用開發(fā)的研究鏈，從構(gòu)建內(nèi)部空間帶電區(qū)及電極幾何設(shè)計的角度入手，探索出了大幅度提升摩擦誘導(dǎo)電致發(fā)光材料性能的新途徑。

通過帶背電極的多孔tiel組件開發(fā)了一種新型自驅(qū)動觸覺傳感器(spts)以利用多孔結(jié)構(gòu)在spts體內(nèi)產(chǎn)生大量的摩擦電荷。研究結(jié)果表明，內(nèi)部空腔的形變可以顯著促進(jìn)spts內(nèi)部電致發(fā)光粉的電場變化幅值，與致密spts相比，發(fā)光強(qiáng)度提高了近三倍，同時，背電極中增強(qiáng)的靜電感應(yīng)電荷也可作為額外的電學(xué)通道，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的功能性。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，spts顯示出優(yōu)異的傳感性能，包括超低檢測閾值（1 kpa）、超高靈敏度（0.2 kpa-1和22 v?kpa-1）、超快響應(yīng)時間（<8 ms）以及優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性（>;20000次）。此外，利用背電極輸出的電信號遠(yuǎn)程控制智能小車，同時利用tiel光信號進(jìn)行視頻游戲操作，演示了其在實際應(yīng)用中優(yōu)異的雙模遠(yuǎn)程人機(jī)交互能力。

利用液-固界面上產(chǎn)生的tiel開發(fā)了一種新型的自驅(qū)動全光流量傳感器(alfs)。其中，tiel信號的產(chǎn)生基于液體和帶電層之間的摩擦起電效應(yīng)以及發(fā)光層的電致發(fā)光效應(yīng)。通過優(yōu)化底部柵格電極層，發(fā)光強(qiáng)度顯著增加，獲得了0.089 s mm-1的高靈敏度和1 mm s-1的低流速閾值?；谏鲜鰞?yōu)異的傳感性能，開發(fā)了基于alfs的監(jiān)控系統(tǒng)，通過實時分析攝像機(jī)捕獲的光信號，實現(xiàn)了長距離傳輸?shù)淖怨╇姛o線光傳感，并快速而準(zhǔn)確地計算了液體中雜質(zhì)的流速和粒徑。此外，alfs還適用于生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。當(dāng)患者接受輸液治療時，可以通過液體表面的發(fā)光精確地調(diào)整滴斗中的液位，以確保黑暗中輸液的安全。一些生物圖像，如洋蔥細(xì)胞、松針細(xì)胞和蠅腿，能夠在顯微鏡下的微流控芯片中清晰地觀察到而無需任何額外光源。

綜上，這兩項研究為實現(xiàn)高性能摩擦誘導(dǎo)電致發(fā)光材料和制造全光智能傳感系統(tǒng)提供全新的科學(xué)方法和技術(shù)參考，設(shè)計理念也有望為智能光學(xué)材料及系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)建奠定良好的理論研究基礎(chǔ)。

圖一為spts的結(jié)構(gòu)及在人機(jī)交互系統(tǒng)中的應(yīng)用。其能夠通過tiel和teng將觸摸刺激同時轉(zhuǎn)換為可見光和電信號，以實現(xiàn)對智能小車及視頻游戲的遠(yuǎn)程控制。

圖二為alfs在微流控分析中的實際應(yīng)用