清华大学张莹莹教授团队 AFM: 适用于复杂水环境的表皮电子器件 - 具有优异抗水干扰性能的高粘性传感器

2023-06-29 来源：高分子科技

表皮电子器件在保持传统刚性传感器传感性能的同时具有柔软、可拉伸的性能，通过与皮肤建立舒适和稳定的界面，可以连续监测人体的生物物理信号、生化信号和电生理信号。水环境在日常生活中不可避免，例如游泳、淋浴、意外溅水等。在与水相关的场景中，表皮电子器件需要保持可靠和高质量的传感性能，以便在与水相关的活动中提供实时的健康信息，及时预防水下抽筋、沐浴摔倒等危险情况下可能造成的生命危险。与水相关的场景可分为静态水环境和水冲击等动态水环境，与静态水环境相比，动态水冲击具有更大的破坏性，剧烈的水流可以很容易地渗透到器件-皮肤界面的缝隙中，导致器件脱落和传感失效。因此，人们迫切需要发展一种能够适用于复杂水场景条件的表皮电子器件。

海葵生活在海洋中，具有优异的抗水流冲击干扰性能，这是由于即使在强烈的洋流或波浪冲击下，海葵的粘性基盘也可以将其牢固地粘附在海洋中的岩石等基材表面。同时，它的顶部触须具有出色的感知能力，经过的小鱼的轻微触碰也可激发其触手收缩，从而将猎物捕获。受此启发，清华大学化学系张莹莹教授团队设计了一种具有优异抗水干扰性能的高粘性表皮电子器件，即使在剧烈的水冲击条件下其也能稳定地粘附在人体皮肤上，并获得可靠的信号。该表皮电子传感器由包裹在硅橡胶（Ecoflex）薄层中的相互连接的石墨烯片组成的应变传感层和基于半交联聚二甲基硅氧烷的粘性层组成。可将其命名为粘性的石墨烯封装于Ecoflex基体的（a-G@E）传感器（图1）。基于其超薄厚度和粘性层与基底间的分子间相互作用的协同效应，a-G@E传感器与皮肤表面具有高度共形和稳定的相互作用，即使在动态的皮肤拉伸、挤压等变形下也能保持对皮肤纹理的良好共形适应性。值得注意的是，它可以耐受复杂的水环境，如连续的水冲击（水流速度高达4米/秒）（图2）。为了验证概念，进一步展示了它在动态水干扰环境下的跟踪模型鱼游动模式和机械手控制的应用，证明了其可靠性及稳定性（图3），证明了a-G@E传感器在各种与水相关场景下的健康管理、运动监测、冲浪、潜水和救援工作等方面的应用潜力。

图1 具有优异抗水干扰性能的a-G@E传感器的设计、结构和特性

图2 a-G@E传感器的空气及水场景下稳定的器件-皮肤界面

图3 a-G@E传感器在动态水环境下可靠的运动监测应用

这项研究以“Highly Adhesive Epidermal Sensors with Superior Water-Interference-Resistance for Aquatic Applications” 为题发表在《Advanced Functional Materials》上。清华大学化学系博士后王帅博士为该论文的第一作者。该研究得到国家自然科学基金委和北京市科技计划项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202302687

作者简介

张莹莹，清华大学化学系长聘教授，博士生导师，课题组主要研究兴趣是面向生命健康监测的纳米碳材料与、丝蛋白材料及两者的功能复合材料，发展其在柔性电子器件、智能织物和特种纤维领域的应用。Accounts of Materials Research主题编辑，Matter、Advanced Materials Technologies、Cell Reports Physical Science、功能材料与器件等期刊编委。课题组主页：www.yyzhanggroup.com

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（责任编辑：xu）

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