據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)在研究員李潤偉的帶領(lǐng)下，受到人工漁網(wǎng)啟發(fā)，模仿“水膜-魚網(wǎng)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了具有柔性自適應(yīng)導(dǎo)電界面的超穩(wěn)定可拉伸電極，提出利用靜電紡絲法構(gòu)建液態(tài)金屬聚氨酯（TPU）二維“仿水膜-魚網(wǎng)”結(jié)構(gòu)薄膜，實(shí)現(xiàn)了極低初始方阻（52mΩ sq?1），解決了彈性電極中導(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。

該電極可應(yīng)用于全天候人體表皮生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、智能人機(jī)交互界面及人體熱療等方面，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。該工作以Ultra-robust stretchable electrode for e-skin： In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction為題，發(fā)表在InfoMat期刊上，并被選為封面文章。

該團(tuán)隊(duì)通過TPU靜電紡絲與液態(tài)金屬微納顆粒靜電噴涂的原位復(fù)合，以及隨后進(jìn)行的機(jī)械激活，制備出仿“水膜-漁網(wǎng)”的可拉伸電極。該電極的超穩(wěn)定電性能，主要得益于其仿“水膜-漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，也可稱為液態(tài)金屬動(dòng)態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，由于液態(tài)金屬薄膜與聚氨酯紡絲網(wǎng)的交互作用，在小應(yīng)變下（＜100%的應(yīng)變），SEM原位觀察到液態(tài)金屬可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)流動(dòng)，卸去局部應(yīng)力，保持導(dǎo)電薄膜連續(xù)；在大應(yīng)變下（300%-500%的應(yīng)變），盡管液態(tài)金屬薄膜會(huì)破裂，但聚氨酯紡絲網(wǎng)會(huì)阻礙其斷裂，并使其包裹在纖維絲上，保持整體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性（圖2a）。研究還分析了液態(tài)金屬微米納米球如何通過尺寸效應(yīng)和微觀捆綁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與納米纖維絲網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合。

圖2 超穩(wěn)定電極機(jī)理及應(yīng)用

此外，通過局部激活和激光切割，可以將聚氨酯液態(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，能夠?qū)崿F(xiàn)無線信號(hào)傳輸，在拉伸和彎曲狀態(tài)下均可以對(duì)計(jì)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。局部激活的電路對(duì)機(jī)械破壞展現(xiàn)出很好的抵抗性，該電極可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)導(dǎo)電通路重建，使電極在破壞、拉伸狀態(tài)下依然能夠正常工作（圖2b）。該電極展在100%應(yīng)變拉伸循環(huán)試驗(yàn)中，在第一次拉伸電阻發(fā)生了輕微升高，后續(xù)的33萬次循環(huán)中，其電阻僅上升了5%，該特性遠(yuǎn)優(yōu)于其他已報(bào)道的可拉伸電極（圖2c）。該電極可以實(shí)現(xiàn)人體表皮全天候心電信號(hào)檢測(cè)。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明，該電極具有良好的生物相容性和極低毒性，可以用在人體表皮進(jìn)行心電監(jiān)測(cè)，其展現(xiàn)出與商用凝膠電極類似的阻抗性能。此外，該工作根據(jù)人的活動(dòng)場(chǎng)景，為電極設(shè)計(jì)了靜態(tài)、運(yùn)動(dòng)、水沖三個(gè)工作場(chǎng)景，超穩(wěn)定電極展現(xiàn)出優(yōu)異的心電信號(hào)收集能力，信噪比達(dá)到0.43，尤其在水沖環(huán)境中，該電極仍能夠收集到穩(wěn)定、清晰的心電信號(hào)，可用于全天候心電診斷（圖3）。

圖3 超穩(wěn)定電極的生物相容性探究及其在全天候心電監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

綜上所述，該工作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了超耐用可拉伸電極，基于液態(tài)金屬和聚氨酯紡絲網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的自適應(yīng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了在機(jī)械變形、長(zhǎng)時(shí)間氧化、循環(huán)浸沒、加熱、酸堿浸泡等各種環(huán)境刺激下的穩(wěn)定電性能，尤其實(shí)現(xiàn)了33萬次拉伸循環(huán)下極小的電阻變化。該電極可以應(yīng)用在全天候心電監(jiān)測(cè)、智能人機(jī)交互系統(tǒng)等方面，在長(zhǎng)時(shí)間體表電子皮膚、體內(nèi)生物相容性器件等方面展現(xiàn)出較大潛力。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、寧波市“3315系列計(jì)劃”，寧波“科技創(chuàng)新2025”項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金、浙江省杰出青年科學(xué)基金、中科院王寬誠教育基金的支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.12302

關(guān)于柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)

柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)是隸屬于中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和浙江省磁性材料及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性研究平臺(tái)，當(dāng)前重點(diǎn)開展了柔性磁電功能材料與傳感器以及多功能阻變信息存儲(chǔ)材料與器件的研究。研究室與國內(nèi)外多家著名研究機(jī)構(gòu)，包括美國密歇根大學(xué)、美國路易斯安那州立大學(xué)、美國亞利桑那大學(xué)、美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)室、新加坡國立大學(xué)、南洋理工大學(xué)、日本東北大學(xué)、日本國家材料科學(xué)研究所、日本大阪大學(xué)、德國馬普所、德國德累斯頓亥姆霍茲研究中心、德國萊布尼茲固態(tài)和材料研究所、荷蘭阿爾托大學(xué)、澳大利亞斯威本科技大學(xué)以及國內(nèi)的研究院所建立了密切聯(lián)系。同時(shí)，為推廣高新技術(shù)的成果轉(zhuǎn)讓和產(chǎn)業(yè)化，研究室與多家企業(yè)建立了緊密的合作關(guān)系。

審核編輯 ：李倩