根據(jù)一項(xiàng)新的研究，一種新穎的三維(3-D)非接觸式交互式顯示器可以通過檢測(cè)環(huán)境相對(duì)濕度的細(xì)微變化，根據(jù)用戶手指與屏幕的距離來改變顏色。該技術(shù)可能會(huì)在可穿戴的電子設(shè)備和電子皮膚(e-skin)中找到未來的應(yīng)用，它們可人工模仿人類皮膚感知壓力，溫度和濕度的能力。盡管科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出各種交互式觸摸顯示器，但其中大多數(shù)涉及響應(yīng)刺激而不是顏色變化而導(dǎo)致的發(fā)光強(qiáng)度或色反射強(qiáng)度的變化，從而可以提供更加醒目的和獨(dú)特的視覺反饋。

為了開發(fā)基于結(jié)構(gòu)顏色變化的非接觸式交互式顯示器，Han Sol Kang和材料科學(xué)，納米工程學(xué)的同事韓國(guó)和美國(guó)的化學(xué)工程公司設(shè)計(jì)了一種新顯示器，該顯示器在光子晶體中使用化學(xué)交聯(lián)的互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)層，當(dāng)手指從表面移動(dòng)1到15毫米時(shí)，該層會(huì)響應(yīng)水蒸氣的變化。該過程可能會(huì)改變其表面結(jié)構(gòu)的配置，以產(chǎn)生藍(lán)色，綠色和橙色。然后，研究人員證明了通過將光子晶體基薄膜從硅表面交換到印刷的一美元鈔票上，可以輕松地將基于光子晶體的薄膜從一種基底轉(zhuǎn)移到另一種基底的可能性。通過將離子液體摻雜劑(會(huì)改變半導(dǎo)體的電性能)結(jié)合在一起作為印刷油墨，研究人員注意到了該技術(shù)在可印刷和可重寫顯示器中的應(yīng)用。

用戶交互顯示器(UID)有助于可視化的不可見信息的可視化，例如觸摸，嗅覺和聲音，在適用于未來超連接社會(huì)的可穿戴和可修補(bǔ)電子產(chǎn)品中具有潛在的應(yīng)用。能夠人工模仿人類皮膚以感測(cè)溫度，壓力和濕度的電子皮膚的巨大需求導(dǎo)致了各種人類交互觸摸顯示器的發(fā)展。需要觸摸平臺(tái)來可視化刺激，而無需在3D交互式非觸摸顯示器上進(jìn)行觸摸。Kang等。設(shè)想光子晶體(PC)的刺激敏感，低功耗，反射模式，可見范圍的結(jié)構(gòu)顏色(SC)，以滿足光子晶體的工程要求。用戶互動(dòng)式3D非接觸式顯示器。科學(xué)家們開發(fā)了一種使用可吸濕性離子液體墨水的可打印3D非接觸式交互式顯示器，該墨水具有相對(duì)濕度相對(duì)容易的結(jié)構(gòu)顏色變化。作為概念驗(yàn)證，他們展示了從人的手指(濕度)發(fā)出的水蒸氣的 3-D位置感測(cè)，可實(shí)現(xiàn)從手指到薄膜的非接觸式顯示，并在可穿戴電子產(chǎn)品中得到了新興應(yīng)用。

開發(fā)互穿的水凝膠網(wǎng)絡(luò)嵌段共聚物光子晶體(IHN BCP PC)

該團(tuán)隊(duì)使用自組裝的一維嵌段共聚物(BCP)光子晶體(PC)，其成層的周期性微觀結(jié)構(gòu)在成膜時(shí)自然發(fā)展。然后，他們?cè)贐CP PC微域中開發(fā)了化學(xué)交聯(lián)的互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)(IHN)層。Kang等。使用紫外線輻射控制構(gòu)建體中互穿的水凝膠網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量，以在整個(gè)可見光范圍內(nèi)控制其結(jié)構(gòu)顏色(SC)。使用工程化互穿的水凝膠網(wǎng)絡(luò)嵌段共聚物光子晶體(IHN BCP PC)的照片，他們顯示了SC的輻射依賴性變化。聚合物膜是偽彈性的(材料在卸載大應(yīng)變后完全恢復(fù))，具有出色的機(jī)械強(qiáng)度，柔韌性，并且在上表面沒有粘性的凝膠狀粘彈性，使其適合于固態(tài)傳感。

表征固態(tài)IHN BCP PC

Kang等。使用掠入射小角X射線散射(GISAXS)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)固態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛表征。結(jié)果表明，高度有序的一維光子晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)展及其計(jì)算的面內(nèi)薄片與有限差分時(shí)域(FDTD)模擬是一致的。對(duì)于橫截面透射電子顯微鏡，他們使用了經(jīng)過聚焦離子束研磨的機(jī)械堅(jiān)固薄膜的橫截面樣品，并注意到了材料薄片的不同層。

BCP膜的TEM圖像顯示螺釘位錯(cuò)(晶體缺陷)分布在整個(gè)樣品表面上，以促進(jìn)液體和低聚試劑向BCP膜中的傳輸。BCP膜允許水分子通過螺絲位錯(cuò)擴(kuò)散，以促進(jìn)基于濕度的非接觸式感應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)使用納米壓痕技術(shù)獲得了額外的機(jī)械性能，包括IHN BCP PC的有效模量。假?gòu)椥圆牧系挠行椥阅Ａ考s為5.3 GPa(如預(yù)期的那樣)，與常規(guī)玻璃態(tài)聚合物所觀察到的相似。

獲得全彩顯示并開發(fā)用戶交互的3-D非觸摸屏

為了獲得全彩色顯示，Kang等。使用噴墨打印機(jī)直接沉積稱為 L-乙基-3-甲基咪唑鎓雙-(三氟甲基磺?；?-酰亞胺的墨水(簡(jiǎn)稱EMIMTFSI)在IHN BCP PC膜上。薄膜的顏色取決于在給定區(qū)域中沉積的EMIMTFSI的數(shù)量。噴墨打印機(jī)只需要一種墨水即可沉積在IHN BCP PC膜上，這與帶有紅色，綠色和藍(lán)色染料墨水的商用噴墨打印機(jī)明顯不同。Kang等。首先將適當(dāng)?shù)念伾畔⒕幊虨楹?灰/白對(duì)比度，從而生成給定的彩色圖像。作為概念證明，他們使用軟件將美元鈔票轉(zhuǎn)換為黑白對(duì)比度，并使用EMIMTFSI噴墨印刷在IHN BCP PC膠片上重建了全彩色結(jié)構(gòu)彩色圖像。

對(duì)于IHN BCP PC顯示器的進(jìn)一步應(yīng)用，Kang等人。使用了另一種稱為雙(三氟甲基磺?；?胺鋰鹽的吸濕性離子液體(縮寫為L(zhǎng)iTFSI)。當(dāng)這種離子液體擴(kuò)散到材料中時(shí)，光子晶體的結(jié)構(gòu)顏色對(duì)環(huán)境濕度變得敏感。LiTFSI允許與水分子締合，從而在可見光范圍內(nèi)根據(jù)濕度發(fā)生結(jié)構(gòu)顏色變化。吸收的水可以以可逆過程擴(kuò)散出去。該設(shè)置使自然濕度約為90%的人手指成為調(diào)節(jié)顯示膜結(jié)構(gòu)顏色的極佳來源，該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。3-D非接觸式感應(yīng)顯示器在多種感應(yīng)事件下使用不同的手指到手指成功運(yùn)行光子晶體的距離。由于吸水而導(dǎo)致的電容增加，響應(yīng)時(shí)間約為20秒，并且結(jié)構(gòu)顏色的可逆變化持續(xù)了55個(gè)時(shí)間周期。

Han Sol Kang和他的同事以這種方式演示了一種基于用戶交互的3-D非接觸式感應(yīng)顯示器，該顯示器基于具有相互連接的水凝膠網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱IHN BCP PC)的嵌段共聚物光子晶體。該工程技術(shù)允許在具有有效模量的薄膜上產(chǎn)生機(jī)械柔和且堅(jiān)固的全可見范圍結(jié)構(gòu)顏色。該團(tuán)隊(duì)將薄膜與各種離子液體印刷油墨結(jié)合在一起，通過變化的電容和結(jié)構(gòu)顏色變化，創(chuàng)建了可印刷和可重寫的3D非接觸式顯示器，以展示一種用于固態(tài)傳感器和3D非接觸式顯示器的新方法。