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寧波材料所在超穩定可拉伸電極方面取得重要進展
作者:,日期:2022-04-19

  在智能可穿戴電子領域,穩定耐用的柔性可拉伸導體仍然是一個巨大的挑戰。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。目前無論是表面結構設計型、導電材料復合型還是本真可拉伸型電極,均難以實現在動態變形下穩定的電性能。所以,制備具有高穩定電性能的電極仍然是一個極大的挑戰。

  近日,中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊在李潤偉研究員的帶領下,受到人工漁網啟發,模仿“水膜-魚網”結構設計了具有柔性自適應導電界面的超穩定可拉伸電極,提出利用靜電紡絲法構建液態金屬聚氨酯(TPU)二維“仿水膜-魚網”結構薄膜,實現了極低初始方阻(52mΩ sq-1),解決了彈性電極中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,應變下通過網孔束縛液態金屬對外擴展和液態金屬在網孔內自適應流動,實現低電阻高穩定可拉伸電極,該電極的動態自適應導電網絡使其具備極強的動態循環穩定性,經過33萬次100%拉伸應變循環,電阻僅變化5%,同時電極面對冷熱、酸堿、浸水等服役環境變化,依舊表現出穩定的電性能。該電極可應用于全天候人體表皮生理信號監測、智能人機交互界面及人體熱療等方面,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。該工作以題為“Ultra-robust stretchable electrode for e-skin: In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction”的論文發表在InfoMat上(DOI:10.1002/inf2.12302),并被選為封面文章(如圖1)。

  該團隊通過TPU靜電紡絲與液態金屬微納顆粒靜電噴涂的原位復合,以及隨后進行的機械激活,制備出了仿“水膜-漁網”的可拉伸電極。該電極的超穩定電性能,主要得益于其仿“水膜-漁網”結構,也可稱之為液態金屬動態自適應網絡,由于液態金屬薄膜與聚氨酯紡絲網的交互作用,在小應變下(<100%的應變),SEM原位觀察到液態金屬可以實現自適應流動,卸去局部應力,保持導電薄膜連續;在大應變下(300%-500%的應變),盡管液態金屬薄膜會破裂,但聚氨酯紡絲網會阻礙其斷裂,并使其包裹在纖維絲上,保持整體導電網絡的穩定性(圖2a)。作者還透徹分析了液態金屬微米納米球如何通過尺寸效應和微觀捆綁結構實現與納米纖維絲網絡的復合。

  同時,通過局部激活和激光切割,可以將聚氨酯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,能夠實現無線信號傳輸,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。局部激活的電路對機械破壞展現出很好的抵抗性,該電極可以實現即時導電通路重建,使電極在破壞、拉伸狀態下依然能夠正常工作(圖2b)。該電極展在100%應變拉伸循環試驗中,在第一次拉伸電阻發生了輕微升高,后續的33萬次循環中,其電阻僅上升了5%,該特性要遠遠優于其他已報道的可拉伸電極(圖2c)。

  該電極可以實現人體表皮全天候心電信號檢測。首先,通過體外細胞實驗證明該電極具有良好的生物相容性和極低毒性,可以用在人體表皮進行心電監測,其展現出與商用凝膠電極類似的阻抗性能。其次,該工作根據人的活動場景,為電極設計了靜態、運動、水沖三個工作場景,超穩定電極展現出優異的心電信號收集能力,信噪比達到0.43,尤其是在水沖環境中,該電極依然能夠收集到穩定、清晰的心電信號,可用于全天候心電診斷(圖3)。

  綜上所述,該工作設計并實現了超耐用可拉伸電極,基于液態金屬和聚氨酯紡絲網絡構成的自適應導電網絡,實現了在機械變形、長時間氧化、循環浸沒、加熱、酸堿浸泡等各種環境刺激下的穩定電性能,尤其實現了33萬次拉伸循環下極小的電阻變化。該電極可以應用在全天候心電監測、智能人機交互系統等方面,在長時間體表電子皮膚、體內生物相容性器件等方面展現出很大的潛力。

  該工作由曹晉瑋、梁飛、李華陽等在李潤偉研究員與寧波諾丁漢大學朱光教授的共同指導下完成,并得到國家自然科學基金(51525103、51701231、51931011),寧波市3315人才計劃,寧波科技創新2025項目(2018B10057),浙江省自然基金(LR19F010001),浙江省杰出青年科學基金(2016YFA0202703)中國科學院王寬誠教育基金(GJTD-2020-11)的支持。

圖1 液態金屬基超穩定可拉伸電極及應用InfoMat封面

圖2 超穩定電極機理及應用

圖3 超穩定電極的生物相容性探究及其在全天候心電監測方面的應用

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