據(jù)麥姆斯咨詢報道，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隊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監(jiān)測、智能人機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)護系統(tǒng)及電子皮膚人機交互界面的持續(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。

該團隊通過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，以及隨后進行的機械激活，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)金屬可以實現(xiàn)自適應(yīng)流動，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)金屬薄膜會破裂，但聚氨酯紡絲網(wǎng)會阻礙其斷裂，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)無線信號傳輸，在拉伸和彎曲狀態(tài)下均可以對計算機輸入無線指令，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。局部激活的電路對機械破壞展現(xiàn)出很好的抵抗性，該電極可以實現(xiàn)即時導(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)于其他已報道的可拉伸電極（圖2c）。該電極可以實現(xiàn)人體表皮全天候心電信號檢測。體外細(xì)胞實驗證明，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行心電監(jiān)測，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)人的活動場景，為電極設(shè)計了靜態(tài)、運動、水沖三個工作場景，超穩(wěn)定電極展現(xiàn)出優(yōu)異的心電信號收集能力，信噪比達到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，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)測方面的應(yīng)用

綜上所述，該工作設(shè)計并實現(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)，實現(xiàn)了在機械變形、長時間氧化、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、智能人機交互系統(tǒng)等方面，在長時間體表電子皮膚、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系列計劃”，寧波“科技創(chuàng)新2025”項目、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隊

柔性磁電功能材料與器件團隊是隸屬于中科院磁性材料與器件重點實驗室和浙江省磁性材料及其應(yīng)用技術(shù)重點實驗室的創(chuàng)新性研究平臺，當(dāng)前重點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材料與器件的研究。研究室與國內(nèi)外多家著名研究機構(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)、美國布魯克海文實驗室、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，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