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清華大學張瑩瑩教授團隊 AFM: 適用于復雜水環境的表皮電子器件 - 具有優異抗水干擾性能的高粘性傳感器
2023-06-29  來源:高分子科技

  表皮電子器件在保持傳統剛性傳感器傳感性能的同時具有柔軟、可拉伸的性能,通過與皮膚建立舒適和穩定的界面,可以連續監測人體的生物物理信號、生化信號和電生理信號。水環境在日常生活中不可避免,例如游泳、淋浴、意外濺水等。在與水相關的場景中,表皮電子器件需要保持可靠和高質量的傳感性能,以便在與水相關的活動中提供實時的健康信息,及時預防水下抽筋、沐浴摔倒等危險情況下可能造成的生命危險。與水相關的場景可分為靜態水環境和水沖擊等動態水環境,與靜態水環境相比,動態水沖擊具有更大的破壞性,劇烈的水流可以很容易地滲透到器件-皮膚界面的縫隙中,導致器件脫落和傳感失效。因此,人們迫切需要發展一種能夠適用于復雜水場景條件的表皮電子器件。


  ?钤诤Q笾,具有優異的抗水流沖擊干擾性能,這是由于即使在強烈的洋流或波浪沖擊下,?恼承曰P也可以將其牢固地粘附在海洋中的巖石等基材表面。同時,它的頂部觸須具有出色的感知能力,經過的小魚的輕微觸碰也可激發其觸手收縮,從而將獵物捕獲。受此啟發,清華大學化學系張瑩瑩教授團隊設計了一種具有優異抗水干擾性能的高粘性表皮電子器件,即使在劇烈的水沖擊條件下其也能穩定地粘附在人體皮膚上,并獲得可靠的信號。該表皮電子傳感器由包裹在硅橡膠(Ecoflex薄層中的相互連接的石墨烯片組成的應變傳感層和基于半交聯聚二甲基硅氧烷的粘性層組成?蓪⑵涿麨檎承缘氖┓庋b于Ecoflex基體的(a-G@E)傳感器(圖1)。基于超薄厚度和粘性層與基底間的分子間相互作用的協同效應,a-G@E傳感器與皮膚表面具有高度共形和穩定的相互作用,即使在動態的皮膚拉伸、擠壓等變形下也能保持對皮膚紋理的良好共形適應性。值得注意的是,它可以耐受復雜的水環境,如連續的水沖擊(水流速度高達4/秒)(圖2)。為了驗證概念,進一步展示了它在動態水干擾環境下的跟蹤模型魚游動模式和機械手控制的應用,證明了可靠性及穩定性(圖3,證明了a-G@E傳感器在各種與水相關場景下的健康管理、運動監測、沖浪、潛水和救援工作等方面的應用潛力。


圖1 具有優異抗水干擾性能的a-G@E傳感器的設計、結構和特性 


a-G@E傳感器的空氣及水場景下穩定的器件-皮膚界面 


a-G@E傳感器在動態水環境可靠的運動監測應用


  這項研究以“Highly Adhesive Epidermal Sensors with Superior Water-Interference-Resistance for Aquatic Applications” 為題發表在《Advanced Functional Materials》上。清華大學化學系博士后王帥博士為該論文的第一作者。該研究得到國家自然科學基金委和北京市科技計劃項目的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202302687


作者簡介

張瑩瑩,清華大學化學系長聘教授,博士生導師,課題組主要研究興趣是面向生命健康監測的納米碳材料與、絲蛋白材料及兩者的功能復合材料,發展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領域的應用。Accounts of Materials Research主題編輯,Matter、Advanced Materials Technologies、Cell Reports Physical Science、功能材料與器件等期刊編委。課題組主頁:www.yyzhanggroup.com

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(責任編輯:xu)
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