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南京邮电大学研制出超薄柔性导电薄膜,可用于穿戴设备、医用电子设备

2020-08-13
来源:新华日报

戴上一枚护腕般大小的袖套,只需滑动一根手指,就可以隔空玩起俄罗斯方块。近日,南京邮电大学材料科学与工程学院马延文教授团队与北卡罗莱纳州立大学研究者们研发出一款具有透气性的超薄、可拉伸多孔电极制备的表皮电子器件,在国内外引起广泛关注。

随着科技的进步,大众在追求性能的同时,对于电子产品的体验、舒适感的需求日益增加。用于监测心率的运动电子手环,玩虚拟现实游戏时佩戴的眼镜,逐渐走进大众视野的智能手表……为了让这些与人类“亲密接触”的电子产品佩戴时更为舒适,同时功能不受汗水影响,团队决定从超薄透气导电薄膜的研制入手。

对超薄透气导电薄膜的开发而言,首先要解决两个关键问题,一是制备可拉伸透气基底薄膜,二是实现其导电性。“我们制备的这种超薄透气性柔性电子器件,其核心创新之处在于将呼吸图法这种廉价、快速、易于大面积制备的方法引入了透气性表皮电子器件的制备中。”马延文告诉《科技周刊》记者,呼吸图法源于自然现象,即空气中的水蒸气会凝结在冷的表面上,例如冬天凝结在窗玻璃上的雾气就是一种呼吸图。科研工作者们经过多年研究,摸索出了一套控制水滴凝结过程的条件,进而实现了对呼吸图结构的精准控制。

研究团队成员周伟欣博士解释,为了制备可拉伸透气基底薄膜,研究人员将少量配置好的实验溶液均匀涂覆在玻璃基板并立即放入高湿度环境中。溶液蒸发带走热量,使玻璃衬底降温,进而导致水蒸气冷凝在玻璃衬底上。这些冷凝后的水滴占据了衬底表面的空间,因此在有机溶剂完全蒸发后,就在玻璃衬底表面上留下了多孔结构的薄膜。“我们在孔径和孔结构均一性上进行了平衡。在孔径达到40 微米时,薄膜的孔结构都是洞穿的。”

呼吸图法成功制备出了可拉伸透气基底薄膜,那么如何能使它具有良好的导电性?为此,研发团队把薄膜在导电性能出色的银纳米线溶液中反复浸泡、烘干多次,以在薄膜上均匀覆盖银纳米线导电网络。“15~20微米的银纳米线附着在多孔聚氨酯薄膜的骨架上,将薄膜两面联通,从而实现双面导电的特性。通过加热加压处理,银纳米线与薄膜的结合更紧密,其电学稳定性也大大增强。”马延文说。

那么,攻破了两大难题所制备出的超薄透气导电薄膜,是否真的可以在表皮电子器件透气性、自支撑等方面实现突破?为了证明这种材料良好的皮肤相容性,团队成员将电极材料贴敷在皮肤上一周,实验结果显示:佩戴期间皮肤丝毫没有受到刺激,且材料仍可以正常导电。“这种材料还可以作为触摸电极,与蓝牙控制器一起集成在织物上,制作成具有无线操控功能的袖套,与电脑建立通讯后,能够实现键盘部分功能的操控。”马延文表示,佩戴袖套玩俄罗斯方块的游戏时,玩家触摸袖套上的方向键,电脑上的砖块迅速改变方向,且没有人体能感知的迟钝,灵敏度非常高。

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除了穿戴式游戏设备,柔性导电薄膜还有相当广阔的应用前景。马延文认为:“目前,我们在论文中已经展示了这种材料在长时间监测生物电信号(心电图等)和人机接口(自电容式触摸传感器)中的应用。在推广应用方面,除了我们团队自己进行材料放大和应用探索外,也非常愿意和相关企业合作,尤其可以在材料研制方面给予技术指导。”


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