水凝胶薄膜与3D打印光子晶体结合，开发结构色湿度传感器
在现代生活中，湿度传感器的应用已经渗透到众多领域，成为不可或缺的技术组件。其中，基于电子测量原理的湿度传感器广泛应用于各类系统。然而，这类传感器在响应速度方面存在局限，并且在某些危险环境中，如易燃易爆场所，其使用也面临一定挑战。
根据麦姆斯咨询的报道，格拉茨技术大学的研究团队近期提出了一种基于光学测量原理的新型湿度传感方案，核心材料是光子晶体。该研究通过结合超快双光子聚合（2PP）打印技术与等离子体辅助化学气相沉积（iCVD）工艺，成功制备了具有高精度和大面积特性的3D结构模板，并在其表面涂覆了一层厚度仅为20纳米的湿度响应型水凝胶薄膜（pHEMA）。研究人员在2PP打印精度和结构稳定性方面实现了突破，为大面积3D光子结构的制备开辟了新路径。该成果以“Structural Colored Based Humidity Sensor Consisting of High Resolution 3D Printed Photonic Crystal Coated with Ultra-Thin Responsive Hydrogels”为题，发表于《Macromolecular Rapid Communications》。
研究中，团队展示了如何利用iCVD技术在2PP打印的3D结构上实现稳定的水凝胶涂层。借助2PP技术的高分辨率，研究人员能够精确控制结构的线宽与间距，同时通过iCVD工艺实现超薄水凝胶层的均匀沉积，为结构色的产生提供了可靠的基础。
上图展示了iCVD沉积后的顶视图示意图。
该图为光学显微镜下3D 2PP打印模板的示意图，分别展示了打印后、收缩后以及iCVD沉积后的结构。
研究结果表明，结构的色彩变化与环境湿度之间存在显著关联。随着相对湿度上升，水凝胶层因吸水膨胀，导致光子结构的光学性能发生变化，从而呈现出肉眼可见的颜色变化。在不同湿度条件下，颜色的转变尤为明显。特别是在低湿度环境下，颜色变化较弱，而在高湿度下则明显增强，这主要归因于水凝胶的膨胀特性。
值得注意的是，水凝胶对环境参数具备高度适应性。除了响应湿度外，其表面还可以被进一步修饰，以实现对温度、pH值或其他化学物质的感知。这种多功能性使其在智能制造、可穿戴设备及环境监测等领域展现出广阔的应用潜力。
该研究的最终目标是开发一款紧凑型光学湿度传感装置，未来可通过智能手机等便携设备实现湿度的可视化检测。为达成这一目标，团队计划进一步扩大可打印区域的尺寸，并优化光学传感系统的性能。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.202400111
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