可视化柔性电子的研究与应用

作者:zilmadmin发布时间:2020-09-07413 次浏览

作者:Young 柔性电子器件在很多应用中扮演着不可忽略的角色,比如健康监测,电子皮肤和植入性器件等。开发柔性 […]

作者:Young

柔性电子器件在很多应用中扮演着不可忽略的角色,比如健康监测,电子皮肤和植入性器件等。开发柔性电子材料已经付出大量的努力,其中水凝胶被认为是一种有吸引力的候选者,这是由于其生物相容性,柔性和与人类组织相似的机械性能。与导电填充材料如碳纳米管,石墨烯,金属纳米线和导电聚合物结合在一起,水凝胶可以被赋予和提升电学性能。另外,为了很好地匹配皮肤和器件之间的交互,通过添加天然和合成粘接剂赋予导电水凝胶的粘结性能。尽管有很多的进展,粘结性水凝胶由于自身的脆性还是面临着稳定性的巨大挑战。因此,在实际应用中,水凝胶的不可控机械破坏性会加重,这就限制了其实际价值。另外,大多数水凝胶在柔性电子器件中都是单一的电信号输入或者输出,这会导致在复杂的生物环境中的不可靠性。因此,具有极好的粘结性、自愈合能力和持久信号记录能力的水凝胶还是可以被应用到柔性电子中。

南京大学医学院附属鼓楼医院的研究人员受到肌肉的粘结特性和变色龙的颜色变化的机理的启发,开发出一种新型的碳纳米管聚多巴胺和弹性聚氨酯复合结构色薄膜材料,可作为可视化柔性电子。聚多巴胺由于与贻贝分泌的粘结性蛋白具有结构相似性而引起广泛关注。另外,变色龙能够根据环境快速地改变皮肤颜色,这种光学响应是来源于小的非紧密鸟嘌呤纳米晶体的晶格变化。模仿这种现象,可以开发出许多具有胶体晶体结构或者反蛋白石结构的响应性结构色材料,并将其应用于传感器中。因此,通过利用上述的优势,创建一种新型导电水凝胶将会给柔性电子带来有趣的发展。

研究人员通过引入碳纳米管聚多巴胺填充料进入具有反蛋白石结构的弹性聚氨酯中,设计了一种可拉伸,粘结性,自愈合和导电结构色薄膜。受益于聚氨酯层的极好的柔性和反蛋白石结构,得到的薄膜被赋予稳定的拉伸性和明显的结构色。另外,由于多巴胺的儿茶酚基团,薄膜具有与组织高度粘结性和自愈合能力,引入碳纳米管赋予薄膜的导电性。更加吸引人的是,这种薄膜在拉伸过程中具有颜色变化和机电性能的交互,可以用作双信号人体运动传感器,用于实时颜色感应和电信号监测。这些特点意味着复合导电结构色薄膜可以提升其在柔性电子中的应用价值。

图1. 受生物启发的可拉伸,可粘结和导电结构色薄膜用于柔性电子的示意图

图2. (a)导电聚合物水凝胶复合结构色薄膜的合成过程和微结构的示意图;(b)胶体晶体模板的电镜照片;(c)填充胶体模板的聚氨酯的电镜照片;(d)聚氨酯的反蛋白石的结构的电镜照片;(e)-(g)导电聚合物水凝胶的内部,表面和截面的电镜照片

 

图3. (a)-(c)导电聚合物水凝胶复合结构色薄膜在拉伸0%,15%,30%的光学照片;(d)反射波长与拉伸之间的关系;(e)拉伸时电阻的相对变化

图4. (a)导电聚合物水凝胶结构色薄膜与猪肉贴合在一起并逐渐弯折的照片;(b)复合结构色薄膜的自愈合过程;(c)复合结构色薄膜的颜色变化对应力学响应。

图5. (a)-(c)导电聚合物水凝胶复合薄膜在手指,手腕和胳膊肘上的弯折;(d)-(f)弯折不同角度时,波长偏移值的响应;(g)-(i)弯折不同角度时,电阻的相对变化

参考文献:WangY, Yu Y, Guo J, et al. Bio-inspired Stretchable, Adhesive, and ConductiveStructural Color Film for Visually Flexible Electronics[J]. Advanced FunctionalMaterials, 2020:2000151.