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香港理工大学郑子剑《自然·材料》:透气性超越尼龙布,高性能可拉伸液态金属导体

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

【透气性欠佳】

可拉伸电子设备在可穿戴电子、电子皮肤、软机器人和生物电子设备等领域应用广泛。然而,当前报导的大多数可拉伸电子产品是基于弹性薄膜制造的,不具备渗透性性。长期佩戴会影响人体皮肤与外界环境的交互(空气、水分等),导致潮湿与闷热感,甚至导致过敏和炎症。此外,低渗透性还会限制器件对人体生理信号的监测,阻碍了生物医学方向上的应用。

近日,香港理工大学郑子剑课题组报导了一种可拉伸导体——“液态金属纤维毡”(liquid-metal fibre mat,LMFM),该导体通过将液态金属简单涂覆或印刷到静电纺弹性纤维毡上而制成。悬挂在弹性纤维之间的液态金属会自组织成横向网状和垂直弯曲的结构,同时提供高渗透性,可拉伸性,电导率和电稳定性。此外,液态金属纤维毡具有良好的生物相容性,对超过1800%应变的全向拉伸具有很好的适应性。该研究以“Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics”为题发表在《Nature Materials》上。

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【液态金属网络】

液态金属纤维毡的制备主要有三个步骤:(1)超弹性纤维毡(poly(styrene-block-butadiene-block-styrene),SBS)的静电纺丝;(2)在可拉伸毡上涂覆液态金属EGaIn;(3)通过预拉伸激活渗透性。刚涂覆液态金属EGaIn的弹性纤维毡SBS表现出类似金属的光泽,几乎不具有渗透性(图1c),将基底拉伸至1800%应变,反复循环12次后,基底颜色变暗,EGaIn转变为悬挂在SBS微纤维之间的网状多孔结构(图1d)。EGaIn-SBS的透气性超过了商业化的尼龙布和医用贴片(图1f),初始电导率约10000 S m-1, 即使处于1800%的拉伸应变下,电阻变化也仅为4.1%。

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图1 透气且超弹性的液态金属纤维毡

EGaIn-SBS的超高拉伸性和电稳定性主要归因于液态金属,形成了横向网状和褶皱结构。这种结构是在预拉伸活化步骤中自形成的。在拉伸过程中,初始的EGaIn膜破裂成网状结构,在新的表面重新形成了新的氧化层。由于氧化层比液态金属要硬得多,因此当衬底缓慢恢复到0%应变时,较硬的上层氧化物层和较软的下层衬底之间的机械竞争导致了EGaIn弯曲起皱。在12个预拉伸循环后,每个循环中的电阻和Q值(品质因数,材料应变与材料阻值变化的比)的变化都达到了稳定阶段,表明起皱的网状结构已达到可逆状态。

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图2 液态金属纤维毡的超弹性机理

【机械、电气性能优异】

得益于这种网状和褶皱结构,EGaIn-SBS表现出优异的循环稳定性。在拉伸至1000%和1800%的100个循环之后,EGaIn-SBS的电阻分别仅增加了18%和36%。当拉伸应变限制为100%时,EGaIn-SBS可以承受超过25000次循环,而电阻变化不到30%,完全可以胜任各种可穿戴应用的耐久性要求(人体运动引起的应变通常小于55%)。

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图3 稳定且自适应的液态金属纤维毡

进一步的,作者使用L-929细胞作为模型细胞,探究了EGaIn-SBS的生物相容性。定量分析显示,测试组的细胞活力在24小时之后仍保持在95%左右,没有明显证据表明EGaIn-具有毒性。在兔子和人类皮肤上的进一步测试表明,EGaIn-SBS的透气性良好,即使佩戴一周也不会对皮肤造成任何负面影响(红肿等)。

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图4 液态金属纤维毡的生物相容性

【多功能可拉伸电子】

EGaIn-SBS的增材制造原理和自适应超弹性为通过印刷制造可拉伸电子产品提供了极好的平台。基于该工艺的LED阵列能够承受500%的应变和720°的扭曲,并能够在水下工作。即使对其进行120分钟的清洗,也不会影响LED阵列的性能。通过重复的静电纺丝和印刷工艺,还可以制造垂直堆叠的多层电路,提供具有出色的佩戴舒适性和多功能性的新型的整体可拉伸电子产品。作者制备了三层印刷电路的可拉伸电子毡,分别用作生理信号传感(顶层)、汗液传感(中间层)和加热(底层),实现了对人体生理状态和电热疗法的多通道监测。包括拉伸、压缩状态下对生理信号的监测(图6c),汗液中溶质浓度的监测(图6e)以及表面温度的调节等(30-90℃)。

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多功能可拉伸电子

总结:液态金属纤维毡是一种新型的可拉伸导体,可以通过将液态金属涂覆或印刷到弹性电纺纤维毡上来轻松制备。简单的预拉伸过程中,液态金属自发形成的横向多孔且褶皱的网状结构赋予了其极为优异的机械与电气性能,且透气性佳。此外,还可以通过增加设备层的数量来实现多功能电子器件。液态金属纤维毡将大大促进高集成度、多功能、长期耐久性的可拉伸电子产品的发展。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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