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美国化学会<<ACS Applied Materials & Interfaces>>报道我院用于穿戴电子传感器件的多功能超浸润记忆膜

发布日期:2021-12-15     作者:     浏览数:    分享到:

美国化学会<<ACS Applied Materials & Interfaces>>以Biotemplated Fabrication of a Multifunctional Superwettable Shape Memory Film for Wearable Sensing Electronics and Smart Liquid Droplet Manipulation为题, 报道了我院在基于生物模板法所制备的多功能超浸润记忆膜用于可穿戴电子传感器件及智能液滴操纵方面的研究成果。


学习和模仿自然智能为人类开发先进材料和技术提供了一条捷径。受自然生物功能表面的启发,制备具有超润湿特性的仿生先进界面材料引起了人们极大的兴趣。其中,开发并制备能够在不同润湿状态之间可逆切换的智能表面并将其应用于智能涂层、自适应材料、微液滴操作和可控油水分离等尖端领域已经成为当今的研究热点。在这些新兴的应用中,具有可逆且润湿性动态可调性能的超浸润界面的智能电子产品在柔性和可穿戴方面的应用展现出广阔的前景。然而,在传统的可穿戴系统中,疏液表面通常只是作为附着的防水保护层。具有润湿性可动态调控的耐久性超浸润表面鲜有报道。因此,开发润湿性可调超浸润表面并将其应用于动态自除湿可穿戴设备具有重要的意义。然而,如何通过简单的刺激来实现表面润湿性的可逆调控性并将这一润湿性可动态调控的超浸润表面集成到智能可穿戴电子产品的多功能设计中仍是一个关键的挑战。

我院屈孟男教授和何金梅副教授研究团队通过简单的生物模板法制备出一种润湿性动态可调且具高应变灵敏性能的柔性超浸润形状记忆薄膜(SSMF)。所制备SSMF的表面形貌可以通过可逆拉伸(弯曲)/恢复方式进行微调,因此,通过简单的身体动作如手指弯曲即可调控SSMF表面对水滴的粘附性,在选择性液滴操纵和智能液滴运动控制方面显示出巨大的优势。此外,得益于表面独特的分级微纳米结构和出色的传感性能,SSMF表现出具有优异的适应性和耐久性,可作为附着在人体皮肤上的智能可穿戴传感器,实现对人体运动的全范围实时检测以及物联网的智能控制。更为重要的是,表面优异的动态除湿特性使得基于SSMF的传感器能够在潮湿环境或雨天工作。总的来说,这项工作成功地将动态可调超润湿性集成到智能可穿戴电子产品的多功能设计中,在多种新兴应用领域如防水电子产品、可穿戴液滴操纵器和全天候智能致动器等展现出巨大的潜力。

该论文实验部分主要由博士研究生马利利(第一作者)和博士研究生王嘉鑫完成,通讯作者为屈孟男教授和何金梅副教授。西安科技大学为作者单位。该项研究得到了国家自然科学基金(51904228),陕西省高等学校青年创新团队,陕西省科技厅(2019JM-371),中国博士后科学基金(2019M663938XB),西安科技大学优秀青年科学基金(2019YQ2-09),西安科技大学胡杨学者计划的资助支持。


论文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c08319

1 通过生物模板法制备基于形状记忆聚合物的SSMF的示意图。

2 SSMF表面润湿性能的可调控性。(a,b) SSMF表面两个方向的静态接触角和滚转动角随平行(a)或垂直(b)于表面槽结构的拉伸应变 = 0 ~ 50%)的变化。(c,d) SSMF表面的低粘附滚动状态(ε = 0%) (c)和高粘附钉扎状态(ε = 15%) (d)。(e,f) 两种不同润湿模式示意图。(g,h) 液滴在原始(g)和拉伸(ε = 15%) (h) SSMF表面(倾斜角 ~ 20°)上的运动状态。(i,j) 以粉笔末为污染物,在原始(i)和拉伸(ε = 15%)后的SSMF表面(倾斜角 ~ 20°的自清洁过程。(k,l) 原始(k)和拉伸(ε = 15%)后的(l) SSMF表面的对水滴的捕获行为。(m) 拉伸 (ε = 15%) 后的SSMF表面对不同体积液滴的选择性抓捕。

3 基于SSMF传感器的可穿戴交互设备在物联网控制中的应用。(a) 基于SSMF传感器的交互界面系统的原理图,其中SSMF传感器能够快速、准确、清晰地识别手指感应的不同动作,从而实现对家用电的智能控制。(b)在干燥(i)和潮湿(ii)条件下,具有动态自除湿性能的SSMF传感器在手指循环弯曲运动过程中的电阻变化。(c) 贴在食指和中指腹关节上的两个基于SSMF的传感器以及它们对不同手指运动的识别和对应能实现的功能。(d-f) SSMF传感器作为可穿戴互动设备在开/关灯(d)、点亮/关闭微型液晶显示器(e)和控制PowerPoint演示(f)等方面的应用。


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