用户交互显示器（UID）允许直观地显示触摸、气味和声音等可感知但不可见的信息，它们在即将到来的超级互联社会中新兴的可穿戴和可修补电子产品的潜力引起了极大的兴趣。特别是，由于电子皮肤（e-skins）的巨大需求，可以人工模拟人体皮肤的特性，如感知压力、温度和湿度，各种人机交互触摸显示屏已经通过可视化压力、温度和湿度的局部变化来演示。不同的光学元件被用于开发触摸交互显示器，包括发光二极管（LED），电致变色，热致变色，摩擦生电器件，以及交流（AC）驱动的电致发光器件。尽管UID技术取得了很大的进展，但大多数显示器都是基于光发射强度或色度反射强度的变化来表示刺激程度。随着刺激物的变化而改变颜色可能会更有利，从而使刺激物更加清晰可见。
最近，韩国延世大学Won Gun Koh和Cheolmin Park在《Science Advances》上发表了题为“3D touchless multiorder reflection structural color sensing display”的文章，提出了一种用户交互式三维无接触传感显示器，其基于薄的固态嵌段共聚物（BCP）光子晶体（PC）的多阶反射结构色（SCs）。全可见光SCs是在BCP-PC中开发的，BCP-PC由交替的片层组成，其中一层包含化学交联、相互渗透的水凝胶网络。将非挥发性离子液体吸收到互穿网络的结构域中，可以通过使用多阶光子反射来进一步操纵SC，从而产生由反射颜色混合产生的前所未有的可见SCs。此外，通过使用吸湿性离子液体墨水，创建了可打印的三维无接触交互式显示器，其中人类手指在不同的SCs中的三维位置作为手指与显示距离的函数被有效地可视化。
1.光子晶体的制备与性能
通过在玻璃基片上旋涂BCP的丙二醇甲醚醋酸酯溶液制备了一层700 nm厚的聚苯乙烯嵌段聚（2-乙烯基吡啶）（PS-b-P2VP）薄膜，该薄膜由面内有序PS和P2VP片层交替组成。然后，用氯仿蒸汽在60℃下对薄膜进行溶剂退火24小时，以形成明确的平行片层的平面内取向。P2VP嵌段随后通过在1-溴乙烷溶液（溶剂：己烷）中浸泡BCP膜24小时来季铵化。在薄膜完全干燥后，将PEGDA低聚物、2-羟基2-甲基苯丙酮（HOMPP）和Triton X在去离子（DI）水中的混合物摊铺到薄膜表面，使溶液优先扩散到季铵化聚（2-乙烯基吡啶）（QP2VP）结构域中并溶胀。然后用不同曝光时间（10至60 s）UV（波长为350 nm）照射具有水凝胶低聚物和引发剂的BCP膜，冲洗并去除未反应的残余低聚物，在QP2VP域中产生互穿水凝胶网络（IHN）。
图1互穿水凝胶网络嵌段共聚物光子晶体。
（A） 具有多阶反射SCs的BCP-PC显示器示意图。利用在PQ2VP域的PEGDA互穿水凝胶网络（IHN）实现BCP-PC的可见光 SC。利用EMITFSI或LiTFSI的非挥发性离子液体，在IHN-BCP-PC中混合多阶反射SCs，得到更丰富的SCs。（B） 玻璃上IHN-BCP-PC薄膜的紫外可见光谱（UV-vis）与紫外曝光时间的关系。（C） 最大反射波长与10到60秒紫外线曝光时间的函数关系图。（D）玻璃基板上的IHN-BCP-PC薄膜的照片与紫外线曝光时间的关系。右端照片显示其在近红外（NIR）区域的最大反射。（E） 黑色纸张上的固态柔性IHN-BCP PC照片。
IHN-BCP-PC的最大反射波长随着紫外线照射时间的增加而增加。因为可提取低聚物的数量随着辐照时间的延长而减少，IHN-QP2VP结构域的厚度增加， BCP-PC的禁带随UV剂量发生红移。因此可以通过控制紫外线照射时间控制SC颜色。
图2 IHN-BCP-PC的结构和力学性能。
不同SCs的IHN-BCP-PC薄膜的（A到C）散射强度与qz的关系。从左至右：具有不同SCs的IHN-BCP-PC薄膜的横截面明亮场TEM图像：（D）蓝色（片层周期151 nm），（E）绿色（片层周期181 nm）和（F）红色（片层周期203 nm）。从左至右：（G）顺序加载、保持和卸载纳米压痕实验示意图。（H） PS-b-P2VP和具有红色SC的IHN-BCP-PC的力-距离曲线。（I）PS-b-P2VP、具有不同蓝色、绿色和红色SCs的IHN-BCP-PC和不同发射量的IHN-BCP-PC的有效模量。PEGDA水凝胶的有效模量也显示在右侧。
通过在IHN-BCP-PC中添加非挥发性离子液体溶胀剂，可以得到了更丰富的可见光范围SCs。选择L-乙基-3-甲基咪唑双-（三氟甲基磺酰基）-酰亚胺（EMIMTFSI）作为不易挥发且吸湿性最低的溶胀剂，可避免与离子液体相关的水分子的影响。薄膜的可见光SC仅归因于一阶反射，因为二阶反射仍处于UV区域，如I组所示。通过增加喷涂周期数进一步添加EMIMTFSI，两种反射都可以位于可见范围内，二阶反射对薄膜的SC起主要作用，产生由两种反射混合而产生的SC，如组II所示。在五个喷涂周期中，薄膜的可见SC主要来自二阶和三阶反射，导致其他多阶SCs。
图3离子液体掺杂IHN-BCP-PC的多阶反射。
（A）通过改变喷涂周期，在玻璃基板上用5 wt%的EMIMTFSI油墨溶胀的IHN-BCP-PC薄膜的UV-vis光谱。其SCs从可见光范围内的一级峰产生的薄膜称为I组。薄膜具有在可见范围内主要由二级反射引起的SCs被称为II组。在可见光范围内，二阶和三阶反射混合产生的SC被称为III组。（B）（A）中对应于UV-vis光谱的IHN-BCP-PC薄膜的照片。（C） FDTD计算了不同膨胀率（α）的IHN-BCP-pc的禁带位置。α定义为IHN-QP2VP的畴大小除以具有EMIMTFSI的IHN-QP2VP的畴大小。（A）的实验结果也与模拟结果作为喷涂周期的函数（实心符号）绘制。（D） 膨胀比为2.4的IHN-BCP-PC的典型FDTD模拟结果。一级、二级和三级峰分别出现在1107、571、385nm处。（E） 光的添加混合示意图。
2.结构色显示器
使用喷墨打印机，使得EMIMTFSI墨水直接沉积到IHN-BCP-PC膜上，可以获得全彩显示。由于膜的颜色取决于在给定区域中沉积的EMIMTFSI的量喷墨打印机只需要一种墨水即可沉积到IHN-BCP-PC膜上。在硅基片上制备了最大反射波长约为350nm的IHN-BCP-PC薄膜，然后以黑/灰/白对比度进行喷墨打印。可以得到覆盖整个可见光范围的各种SCs。使用软件将“一美元钞票”的一部分图像转换成黑白对比图像，然后，在IHN-BCP-PC膜上进行EMIMTFSI喷墨打印，成功地从黑/灰/白图像中重建出与原稿非常相似的全色SC图像。
图4 IHN BCP PC上可打印和可重写的SCs。
（A） 离子液体墨水在IHN-BCP-PC薄膜上的喷墨打印示意图。（B） 不同浓度IL油墨印刷的IHN-BCP-PC薄膜的照片。（C） 计算机处理的一美元钞票部分的黑白对比图像。（D） 根据（C）中的对比度图像，通过调整IL墨水浓度打印的SC图像的照片。（E） 在IHN-BCP-PC薄膜上用IL打印的线的光学显微镜图像，其显示的SC线的分辨率约为50μm。IL墨水在（F）传统纸张和（G）玻璃基板上打印IHN-BCP-PC的SC图像。（H） 在可见光范围内由多阶反射SCs产生的IHN-BCP-PC薄膜的IL-喷墨打印图像的照片。（I） 用IL（红色）印刷的IHN-BCP-PC薄膜的紫外-可见光谱，然后用干净的PEGDA垫（黑色）去除IL。（J） 重复写入和擦除过程的最大反射波长值。（K） 不同IHN-BCP-SC图像的照片，重复打印和擦除IL墨水。在IHN-BCP-PC膜上用IL打印的IHN-BCP-SC图像（步骤1），然后用干净的PEGDA垫去除IL。打印和擦除过程是可重复的（步骤2和3）。
使用EMIMTFSI打印在IHN BCP PC膜上的SCs喷墨可以多次擦除和重写。利用油墨吸收剂，即在打印图像上放置一个干净的交联PEGDA凝胶，去除喷到IHN BCP PC中的EMIMTFSI。由于IHN BCP PC和水凝胶层之间形成了较大的EMIMTFSI浓度梯度，喷射的EMIMTFSI扩散到水凝胶中，实现系统复位。
为了实现湿度依赖的SC变化，使用了另一种离子液体墨水，双（三氟甲基磺酰）胺锂盐（LiTFSI），被称为最具吸湿性的离子液体之一。水很容易被吸收到PC中并与LiTFSI配位，使IHN-QP2VP畴变厚并引起SC的红移。当吸收到IHN-BCP-PC的水扩散出去时，系统变得可逆。当手指与LiTFSI掺杂IHN-BCP-PC表面的距离从1毫米改变到15毫米时，湿度从大约70变到40 RH%（环境相对湿度），导致SC从蓝色、绿色到橙色的变化。因此他们开发出一种3D无接触交互式显示器，其中z轴手指信息随着电容和SC的变化而监控，将掺有LiTFSI的IHN-BCP-PC转移到两个平行的铟锡氧化物（ITO）电极上，该电极可根据吸湿量监测PC的电容变化。
图5 3D无接触BCP结构色敏显示器。
（A） LiTFSI掺杂的IHN-BCP-PC中湿敏SC变化的示意图。（B）带有掺LiTFSI的IHN-BCP PC的双端并行式3D无接触传感显示器的示意图。高度1（h1）高于高度2（h2）。（C） 相对湿度随手指到PC距离的变化。（D） LiTFSI掺杂的IHN-BCP-PCs在相对湿度为40-90%的条件下的照片。（E） 当一根手指靠近表面时，掺LiTFSI的IHN-BCP PC的SC照片。（F） 当手指与PC之间的距离从15、9、5和3毫米变化时，掺LiTFSI的IHN-BCP-PC的三维无接触传感显示器的电容变化。（G） 重复改变手指到PC距离时，3D非接触传感显示器的电容变化。3D无接触传感显示器阵列示意图（H）和照片（I）。（J） 用手指靠近阵列表面，从三维无接触传感显示器阵列获得三维电容变化图。
亮点小结
作者演示了一种基于BCP PC和IHN的用户交互式3D非接触传感显示器。在BCP-PC微区中使用化学交联的IHN，实现了BCP-PC微区的简单膨胀，产生了柔软但坚固的全可见光SCs，其有效模量为几百MPa。当一种非挥发性离子液体溶胀剂被吸收到互穿网络的结构域中时，在可见光区不仅出现一阶光子反射，而且还出现二阶和三阶光子反射，产生了更丰富的可见光SCs。多阶反射SC伪固态IHN-BCP PC与作为印刷油墨的各种离子液体掺杂剂结合，成功地应用于可打印和可重写显示器以及3D非接触传感显示器中，通过电容和SC变化精确监控手指接近（z）和横向位置（x和y），展示了一种固态传感器和显示器的新方法.
