【科學(xué)網(wǎng)】新型柔性電極：低電阻、高穩(wěn)定、可拉伸
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。該圖曾以《積極抗疫、層層把關(guān)》為名在參加寧波市“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
《信息材料》期刊封面。曹晉瑋提供
漁網(wǎng)是如何從水產(chǎn)業(yè)跨界到可穿戴人機(jī)交互領(lǐng)域的？
受到人工漁網(wǎng)啟發(fā)，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合寧波諾丁漢大學(xué)朱光團(tuán)隊(duì)，設(shè)計了具有柔性自適應(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，解決了柔性電極領(lǐng)域?qū)щ娐屎屠炻什豢杉嫒?、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(jī)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(jī)交互界面的持續(xù)發(fā)展。
4月7日，相關(guān)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(tài)金屬原位自組裝來模擬水膜-魚網(wǎng)結(jié)構(gòu)》作為《信息材料》封面文章刊發(fā)。
打漁拉網(wǎng)時的“水膜”讓材料學(xué)家著迷
在智能可穿戴電子領(lǐng)域，穩(wěn)定耐用的柔性可拉伸導(dǎo)體仍是巨大的挑戰(zhàn)。尤其是在人體表皮生理信號的收集過程中，穩(wěn)定的可拉伸電極可以實(shí)現(xiàn)長時間精準(zhǔn)的信號收集。目前的柔性電極主要分為三個類型：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電極，但均難以實(shí)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(duì)聯(lián)培博士曹晉瑋告訴《中國科學(xué)報》，為了攻克這個挑戰(zhàn)，他們最初考慮過模擬窗紗的結(jié)構(gòu)，但是窗紗的柔性不足，在后續(xù)觀察、尋找中，最終發(fā)現(xiàn)人工漁網(wǎng)是上佳的模擬對象——漁夫拉網(wǎng)出水時，網(wǎng)上會附著有一層水膜，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(duì)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(jī)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，制備出了的具有柔性自適應(yīng)導(dǎo)電界面的超穩(wěn)定可拉伸電極（NHSE）。
實(shí)現(xiàn)低電阻、高穩(wěn)定、可拉伸
該電極實(shí)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(kuò)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。”曹晉瑋介紹，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(jī)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(shí)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(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)人體表皮全天候心電信號檢測。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)人的活動場景，為電極設(shè)計了靜態(tài)、運(yùn)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，其電性能的穩(wěn)定性、耐久性至關(guān)重要，而論文作者通過精心設(shè)計，實(shí)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
?。ㄔ陌l(fā)布于2022年4月18日科學(xué)網(wǎng)）
【原文鏈接】https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/4/477375.shtm