导读 一项新的研究表明，一种新颖的三维 (3-D) 非接触式交互式显示器可以通过检测环境相对湿度的细微变化，根据用户手指与屏幕的距离来改变颜

一项新的研究表明，一种新颖的三维 (3-D) 非接触式交互式显示器可以通过检测环境相对湿度的细微变化，根据用户手指与屏幕的距离来改变颜色。该技术可能会在可穿戴电子产品和电子皮肤(电子皮肤)中找到未来的应用，这些电子皮肤可以人为地模仿人类皮肤感知压力、温度和湿度的能力。虽然科学家们已经开发出各种交互式触摸显示器，但其中大部分都涉及响应刺激时光发射或铬反射强度的变化，而不是颜色的变化，这可以提供更醒目的和独特的视觉反馈。

为了开发一种基于结构颜色变化的非接触式交互式显示器，Han Sol Kang 及其材料科学、纳米工程的同事大韩民国和的化学工程团队设计了一种新显示器，该显示器使用光子晶体内化学交联、相互渗透的水凝胶网络层，当手指从表面移动 1 到 15 毫米时，该网络层会响应水蒸气的变化。该过程可以改变其表面结构的配置以产生蓝色、绿色和橙色。然后，研究人员证明了通过将基于光子晶体的薄膜从硅表面交换到印刷的一美元钞票，可以轻松地将基于光子晶体的薄膜从一个基板转移到另一个基板。通过将离子液体掺杂剂(改变半导体的电气特性)作为印刷油墨，研究人员注意到该技术在可印刷和可重写显示器上的应用。

用户交互式显示器 (UID) 促进了可以感知的无形信息的可视化，例如触觉、气味和声音，在适合未来超连接社会的可穿戴和可修补电子产品中具有潜在应用。对可以人工模拟人体皮肤感知温度、压力和湿度的电子皮肤的巨大需求，导致了各种人机交互触摸显示器的发展。需要触摸平台在 3-D 交互式非触摸显示器上无需触摸即可可视化刺激。康等人。设想光子晶体 (PC) 的刺激敏感、低功率、反射模式、可见范围结构色 (SC) 以满足工程要求用户交互式 3-D 非接触式显示器。科学家们使用吸湿性离子液体墨水开发了一种可打印的 3-D 非接触式交互式显示器，该墨水具有相对于湿度的轻松结构颜色变化。作为概念证明，他们展示了从人类手指(湿度)发出的水蒸气的 3D 位置感应，用于从手指到薄膜的非接触式显示，以及可穿戴电子产品中的新兴应用。

该团队使用自组装的一维嵌段共聚物(BCP)光子晶体(PC)，其层状周期性微结构在成膜时自发形成。然后，他们在 BCP PC 微域中开发了化学交联的互穿水凝胶网络(IHN) 层。康等人。使用紫外线照射控制结构中互穿水凝胶网络的数量，以在整个可见光范围内控制其结构颜色 (SC)。使用工程互穿水凝胶网络嵌段共聚物光子晶体 (IHN BCP PC) 的照片，他们显示了 SC 的辐射依赖性变化。聚合物薄膜是假弹性的(卸载大应变后材料完全恢复)具有优异的机械强度和柔韧性，并且上表面没有粘性、凝胶状的粘弹性，使其适用于固态传感。

计算具有红色、绿色和蓝色结构色的 IHN BCP PC。具有红色、绿色和蓝色 SC 的 IHN BCP PC 的有限差分时域 (FDTD) 仿真结果。信用：科学进步，doi：10.1126/sciadv.abb5769

表征固态 IHN BCP PC

康等人。使用掠入射小角 X 射线散射(GISAXS) 和透射电子显微镜(TEM)广泛表征了固态结构。结果表明，高度有序的一维光子晶体结构的发展及其计算的面内薄片与有限差分时域(FDTD) 模拟一致。对于横截面透射电子显微镜，他们通过聚焦离子束铣削使用机械坚固薄膜的横截面样品，并注意到材料薄片的不同层。

BCP 薄膜的 TEM 图像显示螺旋位错(晶体缺陷)分布在整个样品表面，以促进液体和低聚剂传输到 BCP 薄膜中。BCP 薄膜允许水分子通过螺旋位错扩散，以促进基于湿度的非接触式传感。该团队使用纳米压痕获得了额外的机械性能，包括 IHN BCP PC 的有效模量。伪弹性材料的有效弹性模量约为 5.3 GPa——正如预期的那样，与对常规玻璃聚合物观察到的相似。

获得全彩显示并开发用户交互式 3-D 非触摸屏

为了获得全彩显示，Kang 等人。使用喷墨打印机直接沉积称为 L-乙基-3-甲基咪唑鎓双-(三氟甲基磺酰基)-酰亚胺的油墨，缩写为 EMIMTFSI，在 IHN BCP PC 薄膜上。薄膜的颜色取决于沉积在给定区域中的 EMIMTFSI 的数量。喷墨打印机只需要一种墨水即可沉积在 IHN BCP PC 薄膜上，这与使用红色、绿色和蓝色染料墨水的商业喷墨打印机明显不同。康等人。通过首先将适当的颜色信息编程为黑色/灰色/白色对比度来生成给定的彩色图像。作为概念证明，他们使用软件将美元钞票转换为黑白对比，并在 IHN BCP PC 薄膜上使用 EMIMTFSI 喷墨打印重建全彩色结构色图像。

对于 IHN BCP PC 显示器的进一步应用，Kang 等人。使用另一种名为双(三氟甲基磺酰基)胺锂盐(缩写为 LiTFSI)的吸湿性离子液体。当这种离子液体扩散到材料中时，光子晶体的结构颜色变得对环境湿度敏感。LiTFSI 允许与水分子相关联，从而在可见光范围内作为湿度的函数发生结构颜色变化。吸收的水可以通过可逆过程扩散出去。该设置使自然湿度接近 90% 的人类手指成为调节显示膜结构颜色的极好来源，该团队通过实验证实了这一点。3-D 非接触式感应显示器在不同手指间的多个感应事件下成功工作光子晶体距离。由于吸水而增加的电容大约为 20 秒的响应时间，结构颜色的可逆变化持续了 55 个时间周期。

通过这种方式，Han Sol Kang 及其同事展示了一种基于具有互连水凝胶网络(缩写为 IHN BCP PC)的嵌段共聚物光子晶体的用户交互式 3-D 非接触式传感显示器。工程技术允许在具有有效模量的薄膜上实现机械柔软和坚固的全可见范围结构色。该团队将薄膜与各种离子液体印刷油墨相结合，通过改变电容和结构颜色的变化，为 3-D 非接触式传感创建可印刷和可重写的显示器，以展示固态传感器和 3-D 非接触式显示器的新方法。