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    廣州大學林璟副教授等AFM:基于Cassie-Baxter表面構筑技術實現可穿戴柔性應變傳感器抗液體干擾和抗細菌黏附的設計策略
    2020-04-27  來源:高分子科技

      可穿戴式柔性電子應變傳感器逐步被投入至日常消費產品、醫療健康、工業和軍事等領域,未來可穿戴式柔性電子應變傳感器將更具挑戰性和發展前景,將不斷與電子醫療、人工智能、生物芯片、大健康、云數據等戰略性新興產業進行融合創新,其需要攻關的技術難題不僅僅在于柔性器件本身的超靈敏、寬應變傳感范圍等傳感性能的升級突破,為實現其多領域的技術融合和應用,可穿戴式柔性電子應變傳感器需要在復雜運行環境下抗液體干擾而穩定傳感運行是亟待解決的一個重要科學難題。因為復雜的環境(如水、酸、堿、鹽、微生物等)會干擾柔性應變傳感器,導致其電導率等電學性能的不穩定,從而影響柔性應變傳感器的穩定性和縮短其使用壽命。例如:細菌若黏附在傳感器表面將產生微生物腐蝕破壞導電層,水分子或其它分子若滲入導電層中不僅影響其電學性能且產生污損。避免液體干擾的傳統技術是利用聚合物封裝傳感器,但其存在傳感性能下降和封裝工藝復雜等不足。為此,提出不封裝直接在可穿戴式柔性電子應變傳感器表面構筑Cassie-Baxter潤濕狀態實現抗液滴傳感干擾的科學假說,并揭示其內在機制,具有重要的研究意義。


      廣州大學林璟副教授研究團隊發現:基于Wenzel表面潤濕狀態的MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性電子應變傳感器在傳感過程中極易受外在液體的干擾,結合實驗數據和Wenzel表面潤濕狀態下液體干擾模型分析,得知其液體會發生內滲現象,導電通路發生變化,電阻減小,拉伸傳感靈敏度下降,拉伸范圍受限等不良干擾結果。通過表面潤濕理論分析其原因,是因為Wenzel潤濕狀態下的柔性傳感器不具備超疏水、水下疏油、自清潔、防污等性能,易黏附水性或油性的水或油滴,同時也容易黏附細菌,導致其電學性能易受各類液體的干擾性影響。


      廣州大學林璟副教授研究團隊針對未封裝應變傳感器在拉伸傳感過程中易受外在液體干擾的科學難題,首次提出了一種基于Cassie-Baxter表面構筑技術實現傳感器抗液體干擾和抗細菌黏附的策略(圖1),從微納結構設計、表面潤濕理論、傳感機制等方面闡明了其獲得抗液體干擾和抗細菌黏附的關鍵技術理論。


    圖1 基于Cassie-Baxter表面構筑技術實現應變傳感器抗液體干擾和抗細菌黏附的策略


      其技術創新在于傳感器結構設計特征為類三明治夾心結構,底層為超彈性聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底,中間層為LBL式碳納米管/石墨烯(MWCNT/G)導電傳感層和(氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)鍵合層,外層為修飾的納米銀粒子和氟化層。圖2所示,F/Ag/MWCNT/G-PDMS(FAMG)傳感器多級結構表面的設計實現了由Wenzel至Cassie-Baxter的轉變,外在的表面液滴由于需要克服表面能壘難于滲入傳感器的內部導電層,液滴被表面微納結構內嵌的空氣層阻隔猶如“氣墊”將液滴懸浮于上空,呈現出大的超疏水接觸角(157°)、較小的滾動角(4°)、較大的水下油接觸角(142°)、水下油黏附力(≈0μm),對各類測試液滴(綠茶、紅茶、橙汁、可樂、牛奶、酸(pH = 1)、堿(pH = 10)、鹽(0.4 mol/L)、細菌液滴(104 CFU/mL)都具有良好的抗黏附性和抗傳感干擾性,其表面具備超疏水、水下疏油、自清潔、防污、抗細菌黏附等性能,該可穿戴式柔性電子應變傳感器在1000次拉伸-回縮循環后,液體干擾情況下其靈敏度高達1989,并具有寬的拉伸傳感測試范圍(0.1-170%)、和快速響應能力(響應和恢復時間為150ms),體現出優異的傳感性能和穩定的抗液體干擾性能。在人工降雨測試中,監測電子鳥運動行為的FAMG可穿戴式柔性電子傳感器具有很強的抗液體干擾和抗細菌黏附性,并測試穿戴在人體各部位(脈搏、手腕、手指、膝蓋)的運動行為,實現了在復雜環境下對人體活動全方位精準監測,表明了該傳感器在復雜環境中具有良好的適應性。


    圖2 FAMG可穿戴式柔性電子應變傳感器抗液體傳感干擾和抗細菌黏附測試及其模型


      其理論創新在于提出了抗液體傳感干擾的設計策略和揭示了新型多級結構的超靈敏寬范圍應變傳感器的內在傳感機制,通過圖3模型和實驗結果分析,揭示了MWCNT/G導電層的裂紋擴展效應和APTES/MWCNT/G中間隔離層的終端裂紋擴展效應是產生超靈敏的內在機制,MWCNT的微橋效應和APTES/MWCNT/G中間隔離層的滑移效應是寬拉伸傳感應用范圍的主要內因,構筑多級結構的Cassie-Baxter表面潤濕態是抗液體傳感干擾的關鍵技術理論基礎,超疏水和水下疏油潤濕特性是抗細菌黏附的內在機制。


    圖3 FAMG可穿戴式柔性電子應變傳感器抗液體傳感干擾模型


      相關成果發表在Advanced Functional Materials上(Jing Lin, Xianfang Cai, Zili Liu, Nan Liu, Min Xie, BingPu Zhou, Huaquan Wang, Zhanhu Guo. Anti‐liquid‐Interfering and Bacterially Antiadhesive Strategy for Highly Stretchable and Ultrasensitive Strain Sensors Based on Cassie‐Baxter Wetting State, 2020, doi.org/10.1002/adfm.202000398),廣州大學林璟(副教授)為該論文的第一作者和通訊作者;北京師范大學劉楠(教授)和The University of Tennessee ZhanHu Guo(副教授)為共同通訊作者;廣州大學蔡嫻芳(碩士)、劉自力(教授)和謝敏(碩士),澳門大學周冰樸(副教授)和王華權(碩士)為參與作者。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202000398

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