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清華大學(xué)張瑩瑩教授團(tuán)隊(duì) AFM: 適用于復(fù)雜水環(huán)境的表皮電子器件 - 具有優(yōu)異抗水干擾性能的高粘性傳感器
2023-06-29  來(lái)源:高分子科技

  表皮電子器件在保持傳統(tǒng)剛性傳感器傳感性能的同時(shí)具有柔軟、可拉伸的性能,通過(guò)與皮膚建立舒適和穩(wěn)定的界面,可以連續(xù)監(jiān)測(cè)人體的生物物理信號(hào)、生化信號(hào)和電生理信號(hào)。水環(huán)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(guān)的場(chǎng)景中,表皮電子器件需要保持可靠和高質(zhì)量的傳感性能,以便在與水相關(guān)的活動(dòng)中提供實(shí)時(shí)的健康信息,及時(shí)預(yù)防水下抽筋、沐浴摔倒等危險(xiǎn)情況下可能造成的生命危險(xiǎn)。與水相關(guān)的場(chǎng)景可分為靜態(tài)水環(huán)境和水沖擊等動(dòng)態(tài)水環(huán)境,與靜態(tài)水環(huán)境相比,動(dòng)態(tài)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(dǎo)致器件脫落和傳感失效。因此,人們迫切需要發(fā)展一種能夠適用于復(fù)雜水場(chǎng)景條件的表皮電子器件。


  海葵生活在海洋中,具有優(yōu)異的抗水流沖擊干擾性能,這是由于即使在強(qiáng)烈的洋流或波浪沖擊下,海葵的粘性基盤(pán)也可以將其牢固地粘附在海洋中的巖石等基材表面。同時(shí),它的頂部觸須具有出色的感知能力,經(jīng)過(guò)的小魚(yú)的輕微觸碰也可激發(fā)其觸手收縮,從而將獵物捕獲。受此啟發(fā),清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有優(yōu)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(wěn)定地粘附在人體皮膚上,并獲得可靠的信號(hào)。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(yīng)變傳感層和基于半交聯(lián)聚二甲基硅氧烷的粘性層組成。可將其命名為粘性的石墨烯封裝于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(xié)同效應(yīng),a-G@E傳感器與皮膚表面具有高度共形和穩(wěn)定的相互作用,即使在動(dòng)態(tài)的皮膚拉伸、擠壓等變形下也能保持對(duì)皮膚紋理的良好共形適應(yīng)性。值得注意的是,它可以耐受復(fù)雜的水環(huán)境,如連續(xù)的水沖擊(水流速度高達(dá)4/秒)(圖2)。為了驗(yàn)證概念,進(jìn)一步展示了它在動(dòng)態(tài)水干擾環(huán)境下的跟蹤模型魚(yú)游動(dòng)模式和機(jī)械手控制的應(yīng)用,證明了可靠性及穩(wěn)定性(圖3,證明了a-G@E傳感器在各種與水相關(guān)場(chǎng)景下的健康管理、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、沖浪、潛水和救援工作等方面的應(yīng)用潛力。


圖1 具有優(yōu)異抗水干擾性能的a-G@E傳感器的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和特性 


a-G@E傳感器的空氣及水場(chǎng)景下穩(wěn)定的器件-皮膚界面 


a-G@E傳感器在動(dòng)態(tài)水環(huán)境可靠的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用


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


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


作者簡(jiǎn)介

張瑩瑩,清華大學(xué)化學(xué)系長(zhǎng)聘教授,博士生導(dǎo)師,課題組主要研究興趣是面向生命健康監(jiān)測(cè)的納米碳材料與、絲蛋白材料及兩者的功能復(fù)合材料,發(fā)展其在柔性電子器件、智能織物和特種纖維領(lǐng)域的應(yīng)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(yè):www.yyzhanggroup.com

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