2019年6月19日,東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙遠(yuǎn)錦教授課題組基于共軸毛細(xì)管微流控紡絲技術(shù)制備出包裹離子液體的螺旋仿生微導(dǎo)線,進(jìn)而能夠構(gòu)成柔性可拉伸導(dǎo)電系統(tǒng)。受植物螺旋藤蔓啟發(fā),制備得到的包裹離子液體的螺旋微導(dǎo)線殼層為聚偏氟乙烯(PVDF),核層為具有導(dǎo)電性的離子液體,其螺旋形貌可通過(guò)調(diào)節(jié)流體流速實(shí)現(xiàn)調(diào)控,因而制備出的不同形貌的導(dǎo)線能夠表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電特性,并可進(jìn)一步構(gòu)建具有不同導(dǎo)電性質(zhì)的柔性可拉伸系統(tǒng),應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域。該項(xiàng)研究以題為“Microfluidic Generation of Microsprings with Ionic Liquid Encapsulation for Flexible Electronics”發(fā)表在Research上。
研究背景
柔軟且可以拉伸的導(dǎo)線可以如人體中的血管網(wǎng)絡(luò)一般傳導(dǎo)電子,是軟體機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、可變形設(shè)備等柔性電子系統(tǒng)中的重要組成部分。目前已有研究將金屬、半導(dǎo)體、碳材料、液體金屬、離子液體等做成導(dǎo)線材料與彈性較好的高分子材料相結(jié)合制備出柔性電子器件的例子。
與傳統(tǒng)意義上較為堅(jiān)硬的導(dǎo)電材料相比,可拉伸形變的導(dǎo)體在感知和傳導(dǎo)包括拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等機(jī)械形變時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在這之中,離子液體由于其不易揮發(fā)、低表面張力、相對(duì)較低的楊氏模量和良好的形變特性得到了廣泛的應(yīng)用。然而,目前離子液體的集成方法主要通過(guò)一系列的通道構(gòu)建、充填等步驟來(lái)實(shí)現(xiàn),耗時(shí)耗力,并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)尺寸較小的操作。同時(shí),目前開(kāi)發(fā)的離子液體柔性器件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,在進(jìn)一步構(gòu)建復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的柔性系統(tǒng)中的應(yīng)用有所限制。因此,本研究受自然界中的植物螺旋藤蔓啟發(fā),基于共軸微流控紡絲技術(shù)開(kāi)發(fā)出了包裹離子液體的螺旋纖維作為微導(dǎo)線應(yīng)用于柔性電子的導(dǎo)電研究中。
研究進(jìn)展
東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦教授團(tuán)隊(duì)受自然界中具有良好形變和拉伸性并且能夠?qū)崿F(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹参锫菪俾麊l(fā),首次將導(dǎo)電流體與微流控結(jié)合,使用共軸組裝的玻璃毛細(xì)管微流控裝置一步連續(xù)制備殼層為PVDF,內(nèi)部包裹有離子液體1-乙基-3-甲基四氟硼酸咪唑(EMIMBF4)的螺旋纖維。這種柔軟的微導(dǎo)線經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的排列可以包裹在柔性薄膜中,如皮膚般貼附在人體表面,可在不同部位不同幅度的運(yùn)動(dòng)中依然保持較為穩(wěn)定的導(dǎo)電性(圖1)。
在微流控制備過(guò)程中,由于PVDF的相轉(zhuǎn)化速度極快,纖維的殼層能夠迅速形成從而連續(xù)包裹內(nèi)部離子液體。在這個(gè)過(guò)程中,能夠首先制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的直線纖維。裝置運(yùn)行過(guò)程中,隨著流體的速度與外部溶液差異增大,具有螺旋結(jié)構(gòu)的核殼纖維開(kāi)始形成。通過(guò)調(diào)節(jié)流體流速,纖維的殼層厚度和螺距可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控。
制備得到的不同形貌的導(dǎo)電纖維其基本電學(xué)特性與電阻公式相符,即纖維的電阻與長(zhǎng)度呈正比與橫截面積呈反比。值得注意的是,在拉伸情況下,由于螺旋形貌具有較大的形變空間,螺旋導(dǎo)電纖維會(huì)首先經(jīng)歷一階段直線纖維不會(huì)經(jīng)歷的電阻幾乎不變的過(guò)程,這種情況在螺距小的纖維中更加突出。利用這一電阻變化特性可以實(shí)現(xiàn)螺旋導(dǎo)線在一定程度形變時(shí)穩(wěn)定導(dǎo)電的功能。此外,在排列整齊的螺旋導(dǎo)線外周滴加室溫固化的Eco-Flex硅膠,可以制備出透明且柔軟的薄膜材料。這種材料由于其具有良好的循環(huán)拉伸特性,并且內(nèi)部包裹的纖維不會(huì)對(duì)于整體的拉伸有所影響,在整個(gè)拉伸過(guò)程中保持較為穩(wěn)定的電阻變化。并且,在多次拉伸情況下電阻變化仍然能基本保持穩(wěn)定。
進(jìn)一步地,在實(shí)際應(yīng)用中,這種柔性導(dǎo)電薄膜能方便的貼在關(guān)節(jié)部位表面對(duì)于不同身體部位的活動(dòng)有所響應(yīng)(圖4)。當(dāng)手指、手腕和手肘不同頻率下彎曲不同程度時(shí),柔性薄膜的電阻在保持整體穩(wěn)定的同時(shí)會(huì)隨運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)極小范圍內(nèi)不同程度的變化。這種特性大范圍內(nèi)保持電阻穩(wěn)定同時(shí)小范圍內(nèi)電阻對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)幅度和運(yùn)動(dòng)頻率具有響應(yīng)的特性,使制備所得導(dǎo)電薄膜在對(duì)于靈敏度要求較高的系統(tǒng)或設(shè)備中起到減小背景信號(hào)干擾、提高信噪比的作用。證明了這種包裹有導(dǎo)電微彈簧的柔性薄膜具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。在運(yùn)動(dòng)時(shí)依然保持穩(wěn)定的電子傳導(dǎo),在對(duì)于靈敏度有較高要求的系統(tǒng)中能夠減小背景信號(hào)的干擾。
未來(lái)展望
趙遠(yuǎn)錦教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)將具有導(dǎo)電性的離子液體與微流控技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了一步制備仿螺旋藤蔓的導(dǎo)線。導(dǎo)線的形貌和基本導(dǎo)電特性能夠通過(guò)流體速度控制調(diào)節(jié)。將制備所得導(dǎo)線包裹于彈性硅膠薄膜中,能夠?qū)崿F(xiàn)不同身體部位運(yùn)動(dòng)時(shí)電阻在小范圍內(nèi)的靈敏變化同時(shí)在大范圍中保持穩(wěn)定。雖然制備所得導(dǎo)電纖維與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比電阻較大,但是通過(guò)進(jìn)一步的材料選擇和制備工藝優(yōu)化,能夠減小今后制備出的導(dǎo)電纖維電阻。因此,這一研究同時(shí)增加了微流控技術(shù)的核心價(jià)值,并且為電子皮膚中的柔性導(dǎo)體開(kāi)發(fā)提供了新的研究思路。
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