人類要想真正探索微觀世界，需要一種能夠在微環(huán)境中“反映”物理量變化的微型傳感器。

中國科學院沈陽自動化研究所通過雙光子聚合技術，開發(fā)出一種通過響應環(huán)境刺激實現(xiàn)動態(tài)變化衍射光譜的微型傳感器，實現(xiàn)了傳感單元的微型化和對微環(huán)境pH值的無線、可視化檢測，為感知微觀環(huán)境和賦能微型機器人提供了一種新的傳感技術。

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從“偽裝大師”得到結構色啟發(fā)

受尺寸限制，傳統(tǒng)的傳感技術很難小型化集成到微型機器人、微流控芯片等微型設備中，從而限制了其在微觀領域的應用。如何構建微米乃至納米尺度的傳感單元并將信號傳遞至宏觀世界成為一大難題。

自然界中的“偽裝大師”——安氏蜂鳥給了研究人員很大的啟發(fā)。雄性安氏蜂鳥的頭部羽毛在陽光下會呈現(xiàn)出不同的色彩，這是因為它們的羽毛中包含無數(shù)微型結構和薄膜，這些微型結構通過光學衍射和干涉作用，能夠產生“變化多端”的色澤和斑紋。

▲結構色的生成機制和調控參數(shù)

研究團隊首先通過雙光子聚合技術，使用IP-L光敏樹脂打印了一種2.5維的微型光柵。當可見光傾斜穿過光柵結構時，光柵衍射效應使得特定波長的光僅能在特定角度下通過，從而在顯微鏡中呈現(xiàn)出類似安氏蜂鳥的結構顏色。

科研人員發(fā)現(xiàn)，在傾斜入射條件下，光柵的周期對觀察到的顏色有顯著影響，100nm的周期變化就會引起顯著的顏色改變。因此，微型結構色有望成為一種溝通微觀與宏觀信號傳遞的天然載體。

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“環(huán)境刺激變色”的納米光柵

在解決了信號與小型化問題之后，研究團隊進一步提出“環(huán)境刺激變色”的納米光柵結構作為傳感機制。

通過雙光子聚合技術，科研人員將pH響應水凝膠與IP-L光刻膠交織打印，構建了一種具有刺激變色功能的納米網格結構。

水凝膠的溶脹特性是顏色變化的關鍵。根據周圍環(huán)境pH值變化，水凝膠發(fā)生溶脹和收縮，從而改變納米光柵結構的周期并產生顏色信號的變化，最終實現(xiàn)對微環(huán)境內物理量的感知。

▲刺激變色納米光柵結構的制備和傳感原理

研究團隊通過一系列實驗驗證了所制備材料的性能，包括其對pH值變化的響應速度和靈敏度。研究結果顯示，“刺激變色”的納米光柵在pH值變化時能夠快速、明顯地改變顏色，并且具有良好的重復性和穩(wěn)定性。

研究團隊還針對微型變色傳感器的打印和編程，開發(fā)了一種基于灰度設計的方法，通過調整光柵結構的高度和周期來實現(xiàn)結構色圖案的編碼。該方法可以顯著提高結構色的空間編碼能力，實現(xiàn)動態(tài)結構色圖案的精準打印。

▲動態(tài)結構色的編碼打印

未來，團隊將進一步探索微型變色傳感器與微型機器人的融合，并探索其在人體微腔道、細胞環(huán)境等多種場景下的應用，比如對溫度、濕度等理化參數(shù)進行實時監(jiān)測。

來源：中國科學院沈陽自動化研究所

責任編輯：王穎