Capteurs d'humidité et de déformation flexibles, visuels et multifonctionnels basés sur des filaments luminescents en pérovskite ultra-stables

Matériaux polymères organiques Chimie Science des matériaux Chimie des polymères Nanosciences Chimie des matériaux
pérovskite luminescence capteur d'humidité capteur de déformation multifonction flexible respectueux de l'environnement

Contexte académique

Avec le développement rapide de l’Internet des objets et des dispositifs électroniques portables, la demande de capteurs intelligents dans des domaines tels que la surveillance physiologique, les vêtements intelligents et l’interaction homme-machine augmente rapidement. En particulier, les capteurs flexibles multifonctionnels attirent beaucoup d’attention en raison de leurs applications potentielles dans la détection de l’humidité de la peau, la surveillance des activités physiologiques, etc. Cependant, les capteurs visuels multifonctionnels d’humidité-déformation actuels rencontrent de nombreux défis après intégration, tels que des performances de détection médiocres, une faible durabilité, des interférences évidentes de la température et des difficultés de production à grande échelle. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs explorent de nouveaux matériaux et conceptions structurelles afin d’améliorer les performances et la stabilité des capteurs.

Les matériaux pérovskites, en raison de leurs excellentes propriétés optiques, de leur faible coût et de leur facilité de fabrication, ont été largement utilisés ces dernières années dans les dispositifs électroniques portables intelligents. Cependant, la stabilité des matériaux pérovskites dans des environnements humides et sous contrainte mécanique reste un goulot d’étranglement technologique. Pour cette raison, cette étude propose un capteur flexible, visuel et multifonctionnel d’humidité-déformation basé sur des fibres luminescentes pérovskites ultra-stables, visant à résoudre les limites de performance des capteurs existants grâce à des conceptions innovantes de matériaux et de structures.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par une équipe de recherche de l’Université textile de Wuhan et de l’Université de technologie de Wuhan. Les auteurs principaux incluent Xiaofang Li, Qi Liu, Yunpeng Liu, etc. L’article a été publié en 2025 dans la revue Advanced Fiber Materials, avec le DOI 10.1007/s42765-025-00518-9.

Processus de recherche

1. Préparation des matériaux et conception structurelle

L’équipe de recherche a utilisé une méthode écologique de filage humide et de revêtement par immersion pour fabriquer un capteur flexible, visuel et multifonctionnel d’humidité-déformation avec une structure coaxiale. Le noyau du capteur est composé de pérovskite/polyuréthane thermoplastique (TPU), tandis que la couche externe est constituée de nanotubes de carbone/polyacrylate de sodium (PAAS). Les étapes spécifiques sont les suivantes :

  • Processus de filage humide : La solution précurseur de pérovskite est mélangée au TPU et transformée en fibres par la technologie de filage humide. Au cours de ce processus, les molécules de solvant sont rapidement extraites par un bain de coagulation à l’eau, permettant la formation rapide de fibres TPU et la cristallisation uniforme des nanocristaux de pérovskite.
  • Processus de revêtement par immersion : Les fibres pérovskite/TPU obtenues par filage humide sont immergées dans une solution de nanotubes de carbone/PAAS pour former une couche conductrice externe uniforme. Par un traitement de recuit thermique, les solvants résiduels sont éliminés, aboutissant à des fibres de capteur avec une structure coaxiale.

2. Caractérisation des propriétés physiques

Les chercheurs ont effectué une caractérisation détaillée des propriétés physiques des fibres de capteur, y compris la morphologie de surface, la distribution des éléments et les propriétés mécaniques. En utilisant des techniques telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie photoélectronique X (XPS), il a été confirmé que la couche de nanotubes de carbone/PAAS recouvre uniformément la surface des fibres et que les nanocristaux de pérovskite sont uniformément distribués dans la matrice TPU. De plus, les tests de propriétés mécaniques ont montré que les fibres de capteur présentent une élasticité élevée (déformation pouvant atteindre 800 %), répondant pleinement aux besoins des dispositifs électroniques portables.

3. Tests de propriétés luminescentes

En ajustant la composition de la pérovskite, l’équipe de recherche a réussi à obtenir des fibres de capteur émettant des lumières verte, rouge et bleue sous irradiation ultraviolette. Les tests de spectroscopie de photoluminescence (PL) et de coordonnées chromatiques CIE ont montré que les fibres de capteur présentent une luminosité élevée, une large gamme de couleurs et une bonne capacité de réglage des couleurs. De plus, même sous une déformation de traction de 200 %, les fibres maintiennent une luminescence uniforme et brillante, démontrant leur grand potentiel dans le domaine de l’affichage flexible.

4. Tests de performances de détection d’humidité

Les fibres de capteur ont montré d’excellentes performances en matière de détection d’humidité, avec un changement de résistance de 130 % à une humidité relative (HR) de 95 %. Les temps de réponse et de récupération étaient respectivement de 3,2 secondes et 4,0 secondes, avec un hystérésis de seulement 3,5 %. De plus, les fibres de capteur ont maintenu une réponse stable à l’humidité dans des environnements à haute température, démontrant une excellente résistance aux interférences thermiques. À travers des tests cycliques dynamiques d’humidité et des tests de friction, les chercheurs ont également validé la durabilité et la stabilité des fibres de capteur.

5. Tests de performances de détection de déformation

En matière de détection de déformation, les fibres de capteur ont montré des facteurs de jauge (GF) de 2,9 et 27,0 dans les plages de déformation de 0-95 % et 95-200 %, respectivement. Les temps de réponse et de récupération étaient respectivement de 0,2 seconde et 0,3 seconde, répondant pleinement aux besoins de surveillance en temps réel des mouvements rapides du corps humain. De plus, les fibres de capteur ont maintenu une réponse stable à la déformation dans des environnements à haute température, démontrant une excellente résistance aux interférences thermiques.

6. Démonstration d’applications multifonctionnelles

L’équipe de recherche a démontré les applications multifonctionnelles des fibres de capteur dans le chiffrement d’informations, la surveillance des activités physiologiques et l’alerte précoce de dangers. En tissant des fibres de capteur de différentes couleurs dans des tissus, les chercheurs ont réalisé la dissimulation et le chiffrement d’informations. De plus, les fibres de capteur peuvent être utilisées pour surveiller l’humidité de la peau, la fréquence respiratoire et les mouvements articulaires, montrant leur vaste potentiel d’application dans les dispositifs électroniques portables.

Conclusion de la recherche

Cette étude a permis de développer avec succès un capteur flexible, visuel et multifonctionnel d’humidité-déformation basé sur des fibres luminescentes pérovskites ultra-stables. Grâce à des conceptions innovantes de matériaux et de structures, les fibres de capteur ont montré d’excellentes performances en matière de détection d’humidité, de détection de déformation et de chiffrement d’informations, avec une sensibilité élevée, une réponse rapide, un faible hystérésis et une excellente durabilité. De plus, la méthode de fabrication des fibres de capteur est écologique, peu coûteuse et facile à produire à grande échelle, offrant de nouvelles possibilités d’application dans les vêtements intelligents, la peau électronique et la surveillance physiologique.

Points forts de la recherche

  1. Conception innovante de matériaux : En combinant des nanocristaux de pérovskite avec du TPU, des propriétés luminescentes à haute stabilité et haute luminosité ont été obtenues.
  2. Conception de structure coaxiale : La couche externe de nanotubes de carbone/PAAS est responsable de la détection d’humidité, tandis que la couche interne de pérovskite/TPU est responsable de la détection de déformation, permettant une intégration multifonctionnelle.
  3. Excellentes performances de détection : Les fibres de capteur ont montré une sensibilité élevée, une réponse rapide et un faible hystérésis en matière de détection d’humidité et de déformation.
  4. Large potentiel d’application : Les fibres de capteur ont démontré un grand potentiel d’application dans le chiffrement d’informations, la surveillance physiologique et l’alerte précoce de dangers.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également démontré l’application des fibres de capteur dans l’alerte de sécurité minière et les vêtements de sport nocturnes. En intégrant les fibres de capteur dans des casques de sécurité et des vêtements de travail, les chercheurs ont réalisé une surveillance en temps réel de l’humidité et une alerte précoce de dangers. De plus, les fibres de capteur peuvent être utilisées pour surveiller l’humidité de la peau et les mouvements articulaires pendant l’exercice, offrant un nouvel outil pour la gestion de la santé sportive.

Cette étude fournit non seulement de nouvelles idées pour le développement de capteurs flexibles multifonctionnels, mais ouvre également de nouvelles voies pour l’application des matériaux pérovskites dans les dispositifs électroniques portables.