这篇论文的研究内容由庆北国立大学的Dokyung Kyeong及其团队完成，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。研究的核心在于利用形状记忆聚合物（SMP）和衍射光学元件（DOE）的结合，开发出一种新型的光学温度传感器。形状记忆聚合物是一种能够对外部刺激（如温度、光照和pH值）做出响应的智能材料。它们可以被变形并固定在任意形状上，随后在特定刺激下恢复到其原始形状。通过这种特性，SMP在温度监测、环境变化指示等领域展现出广泛的应用潜力。
本研究旨在将SMP的温度特性与DOE的光学特性结合，开发出一种能够实时监测温度变化的光学传感器。具体而言，研究团队通过在环氧基SMP薄膜上压印DOE的微观图案，利用SMP的形状记忆效应来记录和显示温度历史信息。研究中使用的SMP是基于环氧树脂的，主要成分包括双酚A的环氧单体（EPON 826）和新戊二醇二缩水甘油醚（NGDE）。通过调整EPON 826与NGDE的比例，研究人员能够控制SMP的玻璃转变温度（Tg），从而实现对不同温度的响应。
SMP-DOE薄膜的制备采用了纳米压印光刻技术，研究团队使用Nanoscribe的设备Photonic Professional GT制造出DOE的母模。首先在玻璃基底上制造出DOE的母模，然后利用PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为模具，将SMP材料压印到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上。经过热固化处理后，成功获得了具有多级衍射特性的SMP-DOE薄膜。研究中，SMP-DOE薄膜的温度响应机制基于其微观结构的变化。当薄膜加热至高于其Tg时，聚合物链变得柔软，能够被重新塑形。随着温度的变化，薄膜的衍射图案也会实时变化，从而实现温度的可视化监测。
研究团队利用卷积神经网络（CNN），特别是YOLOv5s模型，来检测和分析光学图像的变化。通过对不同温度下的衍射图案进行实时监测，研究人员能够量化温度变化对光学图像的影响。在研究过程中，团队面临了多个挑战。首先，如何选择合适的SMP材料以实现所需的温度响应特性是一个关键问题。研究人员通过实验调整材料成分，成功实现了不同温度范围的响应。其次，在纳米压印过程中，确保微结构的精确复制是至关重要的。研究团队采用了先进的制造技术，确保了DOE的高分辨率和重复性。此外，如何有效地监测温度变化并实时分析光学图像的变化也是一大挑战。研究人员通过训练YOLOv5s模型，成功实现了高精度的图像识别和分类。
本研究的成果为温度传感器的开发提供了新的思路和方法。未来，SMP-DOE薄膜可以广泛应用于食品、药品等温度敏感行业，作为可靠的温度指示器。此外，研究团队还计划进一步优化材料和制造工艺，以提高传感器的灵敏度和响应速度。通过组装具有不同温度响应的SMP-DOE单元，研究人员希望能够实现更广泛的温度监测范围。这种新型的温度历史传感器不仅具有潜在的商业应用价值，还为智能材料的研究提供了新的方向。
综上所述，通过结合形状记忆聚合物与衍射光学元件，成功开发出一种新型的光学温度传感器。该研究不仅展示了SMP在温度监测中的应用潜力，也为未来的智能材料研究开辟了新的道路。随着技术的不断进步，期待这一研究能够在实际应用中发挥更大的作用。
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https://doi.org/10.1021/acsami.2c18901
