【中國科學(xué)報】巧用“漁網(wǎng)”制備新型柔性電極
文章來源:寧波材料技術(shù)與工程研究所 | 發(fā)布時間:2022-04-20 | 【打印】 【關(guān)閉】
電子顯微鏡下的靜電紡絲和靜電噴霧原位組裝復(fù)合材料。該圖曾在寧波市“以物觀物——在材料藝術(shù)與科學(xué)圖像之間”展覽上展出。曹晉瑋/攝
■本報記者 張楠
漁網(wǎng)是如何從水產(chǎn)業(yè)跨界到可穿戴人機交互領(lǐng)域的?玄機就在漁網(wǎng)出水那一瞬間。
受這一瞬間啟發(fā),中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員李潤偉團(tuán)隊聯(lián)合寧波諾丁漢大學(xué)教授朱光團(tuán)隊設(shè)計出具有柔性自適應(yīng)導(dǎo)電界面的超穩(wěn)定、可拉伸電極。該電極經(jīng)過33萬次100%拉伸應(yīng)變循環(huán),電阻僅變化5%,面對冷熱、酸堿、浸水等環(huán)境變化,依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能,解決了柔性電極導(dǎo)電率和拉伸率不可兼容、循環(huán)變形下電性能不穩(wěn)定的問題。
該電極可以應(yīng)用在全天候心電監(jiān)測、智能人機交互系統(tǒng)及人體熱療等方面,有望助力基于萬物互聯(lián)的可穿戴健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及電子皮膚人機交互界面的持續(xù)發(fā)展。
近日,相關(guān)論文作為《信息材料》封面文章刊發(fā)。
“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)性能最佳
在智能可穿戴電子領(lǐng)域,實現(xiàn)穩(wěn)定耐用的柔性可拉伸導(dǎo)體仍是巨大挑戰(zhàn)。尤其針對人體表皮生理信號,穩(wěn)定的可拉伸電極可以實現(xiàn)長時間精準(zhǔn)的收集。
目前,柔性電極主要分為表面結(jié)構(gòu)設(shè)計型、導(dǎo)電材料復(fù)合型和本真可拉伸型,但這三大類型均難以實現(xiàn)在動態(tài)變形下穩(wěn)定的電性能。
論文第一作者、兩個團(tuán)隊聯(lián)合培養(yǎng)博士曹晉瑋告訴《中國科學(xué)報》,為了攻克挑戰(zhàn),他們最初考慮過模擬窗紗結(jié)構(gòu),但窗紗柔性不足。在后續(xù)觀察和尋找中,他們發(fā)現(xiàn)人工漁網(wǎng)是最佳模擬對象——漁夫拉網(wǎng)出水時,網(wǎng)上會附有一層水膜,這個“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)能夠很好地適形,可以跟隨基體變動卻又不失去自身連續(xù)的形貌。
這正是穩(wěn)定可拉伸電極所需要的特性。
該團(tuán)隊提出,利用聚氨酯(TPU)靜電紡絲與液態(tài)金屬(LM)微納顆粒,經(jīng)靜電紡絲和靜電噴涂進(jìn)行原位復(fù)合,隨后進(jìn)行機械激活,形成液態(tài)金屬TPU二維仿“水膜—漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)薄膜,可制備出具有柔性自適應(yīng)導(dǎo)電界面的超穩(wěn)定可拉伸電極(NHSE)。
實現(xiàn)低電阻、高穩(wěn)定、可拉伸
據(jù)研究人員介紹,該電極實現(xiàn)了52mΩ/sq的極低初始方阻,應(yīng)變下通過TPU網(wǎng)孔束縛液態(tài)金屬的對外擴展和在網(wǎng)孔內(nèi)的自適應(yīng)流動,解決了可拉伸電極曾面臨的導(dǎo)電率和拉伸率不可兼容、循環(huán)變形下電性能不穩(wěn)定的問題,具備優(yōu)越的動態(tài)循環(huán)穩(wěn)定性,經(jīng)過33萬次100%拉伸應(yīng)變循環(huán),電阻僅變化5%。
“你可以理解為,我們用液態(tài)金屬替代水,用TPU靜電紡絲替代漁網(wǎng)線,制出的TPU液態(tài)金屬復(fù)合材料不僅薄,而且具有出色的柔性、拉伸性,以及處于行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢的耐久性?!辈軙x瑋介紹,面對冷熱、酸堿、浸水等服役環(huán)境的變化,該電極依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能。
適用于多類場景
論文中介紹列舉了數(shù)種應(yīng)用途徑,例如,通過局部激活和激光切割,可以將TPU液態(tài)金屬復(fù)合材料制備成多層、多功能人機交互系統(tǒng)。
上層電容傳感陣列連接在集成電路和藍(lán)牙模塊上,可以實現(xiàn)無線信號傳輸,在拉伸和彎曲狀態(tài)下均可以對計算機輸入無線指令,可應(yīng)用在智能可穿戴游戲控制等方面。下層蛇形加熱器展現(xiàn)出良好的電熱穩(wěn)定性,可以實現(xiàn)45℃~90℃穩(wěn)定加熱,并展現(xiàn)出優(yōu)異的加熱循環(huán)性能,可用于人體加熱治療。
該電極良好的生物相容性和極低毒性,還可以實現(xiàn)人體表皮全天候心電信號檢測。研究團(tuán)隊根據(jù)人的活動場景,為電極設(shè)計了靜態(tài)、運動、水沖等3個工作場景,極低的初始電阻使該電極收集心電信號的信噪比達(dá)到0.43,尤其在水沖場景中依然能夠收集到穩(wěn)定、清晰的心電信號。
《信息材料》審稿人認(rèn)為,對于可穿戴電子設(shè)備來說,電性能的穩(wěn)定性、耐久性至關(guān)重要,而論文作者通過精心設(shè)計,實現(xiàn)了超穩(wěn)定可拉伸電極的制備,在動態(tài)拉伸、浸水、酸堿、冷熱等服役環(huán)境變化中,均證明了NHSE具有良好的應(yīng)用前景。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1002/inf2.12302
(原文發(fā)布于2022年4月20日《中國科學(xué)報》第4版)
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