面向新一代光學器件發(fā)展需求，構建集成多模式光學信號的刺激響應型器件備受關注。然而，制備方法的差異與發(fā)光機制的非相關性嚴重制約了物理微結構與化學發(fā)光單元的兼容性。另外，形變誘導的光信號轉換因不依賴外部能量輸入、響應速度快和靈敏度高而受到日益增多的關注。但目前所報道的此類光學器件的制備過程復雜，輸出的光信號單一，視覺效果與轉換效率十分有限，能同時實現(xiàn)形變驅動光信號轉換和多光模式集成的器件策略較少。因此，開發(fā)能夠協(xié)同調控刺激響應矩陣、物理光調制結構與化學發(fā)光單元的一體化設計策略仍面臨重大挑戰(zhàn)。
 

　　由單分散磷光SiO2納米球制備的多光學形態(tài)彈性體的形變誘導光學信號切換特性示意圖

 

　　針對這一難題，西安交通大學物理學院研究人員創(chuàng)新性地提出了集成透射光、散射光、熒光(FL)和室溫磷光(RTP)的多模式光學信號響應系統(tǒng)構建策略。通過高溫煅燒包覆熒光碳點(CDs)的單分散SiO?納米球(SiO? NPs)，成功制備出兼具單分散特性、均勻球形形貌與長壽命室溫磷光的RTP-SiO? NPs，實現(xiàn)了物理光調制結構與化學發(fā)光的有效兼容。進一步將RTP-SiO? NPs與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合，構建了多光學形態(tài)集成的彈性體(MOME)。在外力拉伸或擠壓作用下，材料內部微裂紋和微空隙的形成導致折射率失配，使MOME呈現(xiàn)從透明態(tài)向白色散射態(tài)的可逆轉變。尤為突出的是，形變誘導的散射增強顯著提升了材料的FL和RTP發(fā)光強度。此外，MOME還展現(xiàn)出獨特的動態(tài)調控特性，包括磷光衰減過程中的形變調控效應、溶劑-形變協(xié)同響應的光學開關行為等。據(jù)文獻調研，這是目前首例實現(xiàn)形變誘導FL與RTP自散射增強且動態(tài)可逆調控的報道。
 

　　基于上述特性，MOME獨特的機械形變響應光學行為在水下機械力(水壓、水流、水沖擊等)傳感領域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。通過協(xié)同利用MOME的光散射調制特性及其形變依賴的FL/RTP發(fā)光特性，研究人員系統(tǒng)探索了該材料作為光學傳感裝置在水下管道位移偏差、泄漏檢測、泄漏速率評估、管道膨脹及局部異常凸起等工況的實時可視化感知與監(jiān)測應用。該研究成果為多模式光學集成器件的設計提供了突破性解決方案。具有多信號輸出的響應型光學器件的成功構建，為實現(xiàn)器件光學信號與響應效率的多維度調控提供了機會，展現(xiàn)出廣闊的應用前景。
 

基于MOME的形變誘導的散射調節(jié)，實現(xiàn)對水下管道間距，位移偏移和溶劑泄漏傳感
 

　　該工作以“Deformation-Induced Multioptical Morphology Elastomer Constructed from Phosphorescent Nanospheres for Underwater Mechanical Sensing”為題發(fā)表在《ACS Nano》上，西安交通大學物理學院為唯一通訊單位，文章第一作者是西安交通大學物理學院博士生王昌興，西安交通大學物理學院盧學剛教授、楊森教授為論文通訊作者。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然科學基金和陜西省自然科學基金的支持，也得到了西安交通大學大型儀器設備共享實驗中心提供的相關表征和分析支持。