地物光譜儀在熱致變色材料表征中的應(yīng)用

  0引 言

  光譜和圖像是人們認(rèn)識、識別地物的兩種重要依據(jù)。遙感技術(shù)通過遙感影像可以解決圖譜合一的問題，即將物質(zhì)成分決定的地物光譜與反映地物存在格局的空間影像完整地結(jié)合了起來，對每一個空間影像的像素賦予它本身具有的特征光譜信息，但遙感影像與地物之間的聯(lián)系，需要通過地物光譜來識別。地物光譜儀是通過測量地物光譜，來實現(xiàn)這種聯(lián)系的常用儀器之一，廣泛用于遙感測量、農(nóng)作物監(jiān)測、森林和海洋學(xué)研究、礦物勘探等各領(lǐng)域。地物光譜儀測量原理是利用不同地物對太陽光的反射不同，反射率與入射波長之間的變化規(guī)律，將反射率與波長之間關(guān)系繪成地物反射光譜曲線。不同地物由于物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)不同具有不同的反射光譜特性。因而可以根據(jù)地物光譜儀所測不同地物光譜，結(jié)合遙感傳感器所接收到的電磁波光譜特征的差異，達(dá)到識別不同地物的目的。因此，地物光譜儀可以快速便捷的實現(xiàn)對目標(biāo)物體的反射光譜表征。

  可逆熱致變色材料是一類當(dāng)溫度達(dá)到某一特定的范圍時，材料的顏色會發(fā)生改變，而當(dāng)溫度恢復(fù)到初溫后，顏色也會隨之復(fù)原的智能型材料。經(jīng)過幾十年的研究與發(fā)展，人們已開發(fā)出了無機、有機、液晶、聚合物以及生物大分子等各類具有這種特性的材料。其應(yīng)用范圍也從最初的示溫材料拓展到現(xiàn)在日常生活的各個領(lǐng)域，并隨著新型材料的開發(fā)逐步發(fā)展到了分析、傳感等高新科技領(lǐng)域。熱致變色材料可以用來制造溫度敏感的智能玻璃窗，此智能玻璃窗可以使建筑物實現(xiàn)對太陽光的有效調(diào)制，充分利用太陽能產(chǎn)生的熱量。最近，浙江大學(xué)能源材料研究室的科研人員開發(fā)出一種基于離子液體的環(huán)保型熱致變色材料體系。他們利用無蒸汽壓、熱穩(wěn)定高的室溫離子液體作為新型熱致變色體系的溶劑，可以制備出多種顏色改變的熱致變色體系。紫外 - 可見光分光光度計通常被用來對表征材料的光學(xué)特征。對于熱致變色材料的表征，紫外 - 可見光分光光度計必須添置升溫和保溫附件，來實現(xiàn)不同溫度下材料光譜信息的采集，在一定程度上使材料的光譜表征帶來一定困難。同時，分光光度計具有一定的量程控制，一般要求所測物質(zhì)的吸光度值小于 1。對于較大吸光度的溶液需要進(jìn)行必要的稀釋后才可以進(jìn)行分光光度計表征。但熱致變色溶液的變色特征往往與溶液的濃度有密切的關(guān)系，因此，尋求一種快速便捷的熱致變色材料表征技術(shù)是急需解決的課題。本研究結(jié)合地物光譜儀的操作特點，對新型熱致變色材料進(jìn)行熱致變色光譜分析，在熱致變色材料表征技術(shù)方面開拓地物光譜儀的新應(yīng)用。

  1實驗方法

  本研究所采用的熱致變色材料由浙江大學(xué)提供，此類熱致變色材料根據(jù)所溶解的金屬離子不同，在室溫下表現(xiàn)出不同的顏色。目前報道的主要體系為在室溫下表現(xiàn)為藍(lán)色的鈷系，黃色的鐵系，綠色的鎳系，紅色的鉻系以及淺黃色的鎳鐵混合系材料。在本研究中，將鎳系熱致變色體系作為代表性材料，通過地物光譜儀對其進(jìn)行熱致變色光譜分析。為了研究不同離子濃度對熱致變色效果的影響，將分別采用兩種濃度的鎳系溶液(分別稱為高濃度與低濃度鎳系溶液)進(jìn)行地物光譜儀檢測，并與傳統(tǒng)的分光光度計(Varian Cary 5000，USA)結(jié)果進(jìn)行對比分析，評價地物光譜儀的新應(yīng)用。在實驗過程中，將熱致變色材料置于帶加熱功能的磁力攪拌器上進(jìn)行加熱，攪拌器自帶的溫度傳感器可以對加熱體系的溫度進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)熱致變色材料加熱到某一溫度時，將地物光譜儀的光纖探頭置于熱致變色溶液液面以上約 5 厘米處，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。地物光譜儀在每一次采集數(shù)據(jù)前，均由標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行校準(zhǔn)。將同一溫度下所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值處理，然后繪制材料反射率與光譜波長的關(guān)系圖，觀察不同溫度下，材料的反射光譜變化。同時，材料在不同溫度下的顏色變化也通過數(shù)碼相機進(jìn)行記錄采集。

  2實驗結(jié)果與討論

  圖 1 為分光光度計對低濃度鎳系溶液的熱致變色表征結(jié)果，由圖可以看出，此溶液的吸收光譜具有兩個明顯的吸收波段，分別在波長 422nm 和600 ～ 800nm 之間。隨著溫度的升高，600 ～ 800 nm 波段的吸收峰表現(xiàn)出強烈的溫度依賴性，并且吸收峰有藍(lán)移趨勢。另外一個特征是處于 422 nm 的吸收峰隨著溫度的變化基本上不發(fā)生明顯的改變。此結(jié)果與文獻(xiàn)的結(jié)果一致。由于圖 1 給出的是光的吸收特征，因此，從圖上無法直觀的讀出此材料的顏色與溫度的關(guān)系。同時，由于設(shè)備限制，分光光度計也只可以檢測到 70℃以下材料的光譜變化。

  圖 1 分光光度計對低濃度鎳系溶液的熱致變色表征結(jié)果

  圖 2 可以看出不同熱致變色溶液在不同溫度下的顏色改變，其中的 C 溶液即為分光光度計表征的低濃度鎳系熱致變色體系。由圖可以看出，低濃度的鎳系溶液室溫下呈現(xiàn)出淺黃綠色，但當(dāng)溫度升到～ 70℃以上時，顏色變?yōu)樯罹G色。溫度繼續(xù)升高到～ 100℃以上時，顏色變?yōu)榱怂{(lán)色(圖 2d)。而這種有綠色到藍(lán)色的顏色轉(zhuǎn)變是通過分光光度計無法檢測到的(如圖 1)。因此，我們嘗試了采用地物光譜儀記錄不同溫度下，低濃度鎳系溶液的顏色變化，結(jié)果如圖 3 所示。

圖 3 不同溫度下低濃度鎳系溶液的地物光譜儀檢測結(jié)果

  圖 3 中的目標(biāo)物的反射率是地物光譜儀直接測量數(shù)據(jù)。如圖 3 所示，在室溫下，低濃度鎳系溶液反射峰位于 500 ～ 600nm 之間，即對應(yīng)于黃綠色，與圖 2a 中的顏色對應(yīng)。隨著溫度的升高，發(fā)現(xiàn)此溶液的反射率降低，說明此材料吸收較多的光，顏色表現(xiàn)出變深的趨勢。另外，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物的反射峰向藍(lán)紫色方向偏移，即顏色向藍(lán)紫色進(jìn)行過渡。當(dāng)溫度達(dá)到～ 100℃左右時，材料的反射光已經(jīng)比較弱，而且此時反射峰位于波長 520nm 處，即綠色與藍(lán)色交叉波段。圖 3 的結(jié)果與圖 2 的結(jié)果相對應(yīng)，由此可見，地物光譜儀可以有效地反映材料的熱致變色效應(yīng)。我們還研究了高濃度的鎳系溶液的熱致變色效應(yīng)。如圖 4 所示，高濃度的鎳系溶液在室溫下呈現(xiàn)出綠色，但當(dāng)溫度升到 50℃左右時，顏色變得較深，幾乎觀察不到光的反射。尤其是到了 75℃左右，顏色變成黑色，即無光反射。由于此溶液的濃度較高，所以吸光度超出了分光光度計的量程，所以無法采用分光光度計進(jìn)行表征檢測。我們通過地物光譜儀進(jìn)行了此溶液的熱致變色效應(yīng)(結(jié)果如圖 5 所示)，室溫下，材料的最主要的反射光波長處于～ 550nm，與低濃度的鎳系溶液相比，發(fā)生了較明顯的紅移，即溶液的顏色變深，呈現(xiàn)出綠色。隨著溫度的升高，目標(biāo)物的反射率不斷降低，反射峰所在位置發(fā)生紅移。尤其到了 80℃左右時，目標(biāo)物的反射率基本為 0，說明此時溶液變成黑色，完全不透明狀態(tài)，如圖 4 所示。由此可見，地物光譜儀可以對熱致變色溶液的熱致變色特性進(jìn)行較準(zhǔn)確的定性和定量表征。本研究也表明了地物光譜儀的應(yīng)用可以拓展到材料研究中。

圖 4 不同溫度下高濃度鎳系溶液的顏色變化

圖 5 不同溫度下高濃度鎳系溶液的地物光譜儀檢測結(jié)果

  3結(jié) 論

  本文主要展開了將地物光譜儀用于熱致變色材料的熱致變色特性研究。地物光譜儀可以準(zhǔn)確快速的記錄熱致變色材料的溫度依賴的顏色改變過程，可以作為紫外 - 可見光分光光度計表征的有效補充，是熱致變色材料的有效表征技術(shù)手段。

  推薦：

  便攜式地物光譜儀iSpecField-NIR/WNIR

  專門用于野外遙感測量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。

  無人機機載高光譜成像系統(tǒng) iSpecHyper-VM100

  一款基于小型多旋翼無人機機載高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像相機、穩(wěn)定云臺、機載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機載供電模塊等部分組成。無人機機載高光譜成像系統(tǒng)采用了獨有內(nèi)置掃描系統(tǒng)和增穩(wěn)系統(tǒng)，成功克服了小型無人機系統(tǒng)搭載推掃式高光譜相機時，由于無人機系統(tǒng)的震動造成的成像質(zhì)量差的問題，同時具有高光譜分辨率和優(yōu)異的成像性能。

  便攜式高光譜成像系統(tǒng) iSpecHyper-VS1000

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