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中国科大徐航勋教授课题组:可拉伸聚合物实现高灵敏度多功能无线感知
2019-11-27  来源:高分子科技

  近年来,可感知非接触式刺激信号的柔性仿生电子皮肤传感器件由于其在远程安全与健康监测、人工假肢以及智能机器人等领域拥有巨大的应用潜力,受到了越来越多的关注。然而,现有的非接触传感器件由于功能响应材料的限制,受限于传感功能单一和拉伸性能较差的缺点,难以满足实际需求。因此,如何开发可拉伸、高灵敏的非接触式传感器件,实现多功能无线感知仍然是一项极具挑战性的研究难点。

  导电高分子具有可溶液加工、结构易调、离子/电子导电以及多重刺激响应能力等优势,使得其成为研发新一代非接触式传感器件的理想材料。但是,其本征脆性结构以及传感性能较差的劣势成为其进一步无线传感应用的瓶颈。近日,中国科学技术大学徐航勋教授课题组利用挥发诱导自组装技术和静电相互作用,在可拉伸乳胶薄膜中构建具有三维隔离结构的PEDOT:PSS导电网络,成功制备出一种新型可高度拉伸(~340%)导电聚合物薄膜。

图1. 新型具有三维隔离导电通道可拉伸聚合物薄膜

  这种新型的导电聚合物复合材料由于其厚度薄(~80 μm)、模量低(~26 MPa),具有与不同材质(塑料、叶片、玻璃以及木头)的凹凸表面共形贴合的能力。制备的聚合物复合材料由于其独特的三维导电网络结构,对外界刺激信号十分灵敏。薄膜器件的湿度感知性能(1.09%/%RH)、温度感知性能(0.72%/ oC)均媲美甚至超过目前所报道的基于无机材料的高灵敏柔性传感器件。另外,由于导电高分子独特的光热转换能力,使得该聚合物复合材料还具备优异的近红外光(808 nm)感知能力。研究人员进一步设计并演示了此薄膜材料在接近感感知方面的应用,其对人手接近的响应能力(52%)以及检测距离(12 cm)均超越了已报道的接近感传感器件。在以上各项非接触式传感测试中,材料均展现了可靠性、毫秒级的响应时间以及性能可承受大变形(~100%)等优秀性能。此外,他们还探究了该复合聚合物材料具有对人体呼吸监测、热源识别以及手掌动作定位等实际环境信号的优秀感知能力。

图2. 新型聚合物传感器多重刺激感应能力

  基于此新型聚合物材料,研究人员还进一步集成了温度与接近感双重刺激信号感知平台用于动态识别温度和接近感以及非平面空间感知应用,极大地扩展了非接触传感器件的应用范围,为今后设计此类软物质功能材料提供新的思路。

图3. 双重信号动态感知集成平台

  相关研究成果以Stretchable Polymer Composite with a 3D Segregated Structure of PEDOT:PSS for Multifunctional Touchless Sensing为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces.

  全文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.9b16353

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(责任编辑:xu)
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