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Visual Gustation via Regulable Elastic Photonic Crystals

自愈水凝胶 材料科学 弹性模量 结构着色 纳米技术 光子学 可穿戴计算机 光子晶体 光电子学 复合材料 计算机科学 嵌入式系统 高分子化学
作者
Xinyuan Xie,Suiting Zheng,Yunyan Liu,Yongtao Tang,Zilu Zhang,Hao Wu,Xin‐Qi Hao,Yu Huang,Nan Cheng,Fengyu Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (11): 14133-14143 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.3c18892
摘要

The unique structural sensitivity of photonic crystals (PCs) endows them with stretchable or elastic tunability for light propagation and spontaneous emission modulation. Hydrogel PCs have been demonstrated to have biocompatibility and flexibility for potential human health detection and environmental security monitoring. However, current elastic PCs still possess a fixed elastic modulus and uncontrollable structural colors based on a tunable elastic modulus, posing considerable challenges for in situ detection, particularly in wearable or portable sensing devices. In this work, we introduced a novel chemo-mechanical transduction mechanism embedded within a photonic crystal nanomatrix, leading to the creation of structural colors and giving rise to a visual gustation sensing experience. By utilizing the captivating structural colors generated by the hydrogel PC, we employ abundant optical information to identify various analytes. The finite element analysis proved the electric field distribution in the PC matrix during stretch operations. The elastic-optical behaviors with various chemical cosolvents, including cations, anions, saccharides, or organic acids, were investigated. The mechanism of the Hofmeister effect regulating the elasticity of hydrogels was demonstrated with the network nanostructure of the hydrogels. The hydrogel PC matrix demonstrates remarkable capability in efficiently distinguishing a wide range of cations, anions, saccharides, and organic acids across various concentrations, mixtures, and even real food samples, such as tastes and soups. Through comprehensive research, a precise relationship between the structural colors and the elastic modulus of hydrogel PCs has been established, contributing to the biomatching elastic-optics platform for wearable devices, a dynamic environment, and clinical or health monitoring auxiliary.
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