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【科學網】新型柔性電極:低電阻、高穩定、可拉伸
作者:,日期:2022-04-18

電子顯微鏡下的靜電紡絲和靜電噴霧原位組裝復合材料。該圖曾以《積極抗疫、層層把關》為名在參加寧波市“以物觀物——在材料藝術與科學圖像之間”展覽上展出。曹晉瑋/攝

《信息材料》期刊封面。曹晉瑋提供

  漁網是如何從水產業跨界到可穿戴人機交互領域的?

  受到人工漁網啟發,中科院寧波材料技術與工程研究所李潤偉團隊聯合寧波諾丁漢大學朱光團隊,設計了具有柔性自適應導電界面的超穩定、可拉伸電極。該電極經過33萬次100%拉伸應變循環,電阻僅變化5%,面對冷熱、酸堿、浸水等環境變化,依舊表現出穩定的電性能,解決了柔性電極領域導電率和拉伸率不可兼容、循環變形下電性能不穩定的問題。

  該電極可以應用在全天候心電監測、智能人機交互系統及人體熱療等方面,有望助力基于萬物互聯的可穿戴健康監護系統及電子皮膚人機交互界面的持續發展。

  4月7日,相關論文《用于電子皮膚的超耐用可拉伸電極:以納米纖維支架和液態金屬原位自組裝來模擬水膜-魚網結構》作為《信息材料》封面文章刊發。

  打漁拉網時的“水膜”讓材料學家著迷

  在智能可穿戴電子領域,穩定耐用的柔性可拉伸導體仍是巨大的挑戰。尤其是在人體表皮生理信號的收集過程中,穩定的可拉伸電極可以實現長時間精準的信號收集。目前的柔性電極主要分為三個類型:表面結構設計型、導電材料復合型和本真可拉伸型電極,但均難以實現在動態變形下穩定的電性能。

  論文第一作者、兩個團隊聯培博士曹晉瑋告訴《中國科學報》,為了攻克這個挑戰,他們最初考慮過模擬窗紗的結構,但是窗紗的柔性不足,在后續觀察、尋找中,最終發現人工漁網是上佳的模擬對象——漁夫拉網出水時,網上會附著有一層水膜,這個“水膜—漁網”結構能夠很好地適形,可以跟隨基體變動卻又不失去自身連續的形貌。

  這正是穩定可拉伸電極所需要的特性。

  該團隊提出,利用聚氨酯(TPU)靜電紡絲與液態金屬(LM)微納顆粒,經靜電紡絲和靜電噴涂進行原位復合,隨后進行機械激活,形成液態金屬TPU二維仿“水膜—漁網”結構薄膜,制備出了的具有柔性自適應導電界面的超穩定可拉伸電極(NHSE)。

  實現低電阻、高穩定、可拉伸

  該電極實現了52mΩ/sq的極低初始方阻,應變下通過TPU網孔束縛液態金屬的對外擴展和在網孔內的自適應流動,解決了可拉伸電極曾面臨的導電率和拉伸率不可兼容、循環變形下電性能不穩定的問題,具備優越的動態循環穩定性,經過33萬次100%拉伸應變循環,電阻僅變化5%。

  “你可以理解為,我們用液態金屬替代水,用TPU靜電紡絲替代漁網線,制出的TPU液態金屬復合材料不僅薄,而且具有出色的柔性、拉伸性,以及處于行業領先優勢的耐久性?!辈軙x瑋介紹,面對冷熱、酸堿、浸水等服役環境的變化,該電極依舊表現出穩定的電性能。

  適用于多類場景

  論文中介紹列舉了數種應用途徑,例如通過局部激活和激光切割,可以將TPU液態金屬復合材料制備成多層多功能人機交互系統。

  上層電容傳感陣列連接在集成電路和藍牙模塊上,可以實現無線信號傳輸,在拉伸和彎曲狀態下均可以對計算機輸入無線指令,可應用在智能可穿戴游戲控制等方面。下層蛇形加熱器展現出良好的電熱穩定性,可以實現45℃~90℃穩定加熱,并展現出優異的加熱循環性能,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,還可以實現人體表皮全天候心電信號檢測。研究團隊根據人的活動場景,為電極設計了靜態、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到0.43,尤其在水沖場景中依然能夠收集到穩定、清晰的心電信號。

  《信息材料》審稿人認為,對于可穿戴電子設備來說,其電性能的穩定性、耐久性至關重要,而論文作者通過精心設計,實現了超穩定可拉伸電極的制備,在動態拉伸、浸水、酸堿、冷熱等服役環境變化中,均證明了NHSE具有良好的應用前景。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1002/inf2.12302

 

 ?。ㄔ陌l布于2022年4月18日科學網)

  【原文鏈接】https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/4/477375.shtm

 

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