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可穿戴電子傳感器由於其便攜、靈活和柔性的特點,在可移動式健康監測、人機交互和軟體機器人等領域受到了廣泛的關注。近年來,研究者們致力於開發各種功能材料和優化結構設計來製備高性能電子器件。然而,柔性電子器件的適用目標表面通常具有拓撲形態、動態變形和潤濕性不同的特徵。因此,尤其是在應力傳感領域,為了實現精確、無噪聲和連續的信號監測,柔性電子器件與目標基底之間的穩定界面接觸和界面粘附發揮了至關重要的作用。然而,以簡便有效的方式獲得具有良好共形和粘附特性的柔性電子器件仍然是一個挑戰。

自然界的生物為人們提供了增強界面粘附的方法和思路。其中,藤壺等海洋生物在尋找到合適的寄生物體後,會分泌低交聯程度的蛋白質粘液以潤濕拓撲表面,隨後經過幾個小時的固化過程,粘液完全凝結成凝膠狀層從而增強了粘附作用。這種有趣且巧妙的界面粘附現象激發研究者們開發了一種簡單、高效的方法製造出粘性、超薄、導電和可拉伸的多功能傳感膜。

近期,中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬副研究員基於在碳基/高分子複合薄膜的構築及其柔性傳感器方面的研究基礎(Chem. Mater., 2016, 28, 7125;ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Nature Commun., 2020, 11, 4359; Nano Energy, 2021, 81, 105617; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2105323, Nano-Micro Lett.,2022, 14, 32,Nano-Micro Lett.,2022, 14, 62,Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201812),受藤壺分泌粘液後凝結以增強界面粘附的啟發,與寧波市第一醫院魏鵬教授合作,開發了一種具有增強粘附力的仿生界面誘導的共形Janus膜,用於柔性多功能電子產品。

圖1藤壺粘液啟發的粘附增強的共形傳感薄膜及柔性多功能電子

該工作採用界面自組裝方法,首先在水/空氣界面實現了碳納米管(CNTs)/Ecoflex彈性體複合薄膜的構築。與藤壺寄生表面的粘附過程一致,界面上的碳納米管/彈性體複合膜經歷了兩步固化過程,其中高柔順性部分固化的Janus膜可以容易地轉移到平面或非平面的目標表面上,以便最終完全固化並提高附着力。所得導電薄膜在各種拓撲的表面上表現出增強的粘附性能和良好的柔順性能。基於以上特徵集成的應變傳感器不僅能以穩定和連續的方式檢測傳統的單向彎曲變形,而且可以有效地捕捉和區分由共形特徵介導的反向微小變形。更重要的是,優於傳統的應變傳感器,該應變傳感器通過導電層之間的可控接觸機制,可以高度適應分層的紙面進行動態摺紙監測。此外,受皮膚表面具有複雜皺紋的象鼻的啟發,該傳感薄膜可以共形地貼附在人工象鼻表面,對象鼻運動實現實時監測並精細區分象鼻的運動方向。

相關成果

Chem. Mater.

Bioinspired Interface-Guided Conformal Janus Membranes with Enhanced Adhesion for Flexible Multifunctional Electronics

DOI:10.1021/acs.chemmater.2c01008

文章鏈接:
http://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c01008

來源:中科院寧波材料所


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