...多功能電子皮膚新篇章!基於複合導電纖維素水凝膠的多功能電子...

2020-12-28 網易

2020-07-22 16:48:09　來源: 高分子科學前沿

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　　在眾多科研工作者的砥礪下，各類電子皮膚應運而生，為可穿戴設備、醫療診斷等領域打開一扇新的大門。在電子皮膚中，碳納米管（CNTs）是常見的導電材料，遺憾的是，大多數整合CNTs的電子皮膚缺少數據可視化功能，需要藉助外連的設備才能顯示和處理信號，使得電子皮膚的發展受到阻礙。因此，南京大學鼓樓醫院趙遠錦教授團隊模擬變色龍皮膚（圖1），提出一種基於羥丙基纖維素複合水凝膠的電子皮膚（E-皮膚），它具有穩定的膽甾型液晶結構和明亮的結構顏色；通過具有多重響應能力的複合水凝膠作為主要構成要素，E-皮膚可以對溫度、壓力和張力做出響應，並通過內部結構變化引起顏色改變。相關成果以「Bioinspired conductive cellulose liquid-crystal hydrogels as multifunctional electrical skins」為題發表於《PNAS》雜誌

　　

　　圖1 導電纖維素彩色水凝膠

　　變色水凝膠的製備與表徵

　　變色龍通過控制周期性鳥嘌呤納米晶陣（periodic guanine nanocrystal arrays）改變其皮膚顏色。因此，文章利用羥丙基纖維素（HPC）、聚（丙烯醯胺-丙烯酸）（PACA）以及碳納米管（CNT）構建用於電子皮膚的纖維素水凝膠：將CNT與HPC分批分散於PACA水凝膠的前驅體溶液，在黑暗中便可自組裝成纖維素納米晶體，經紫外線聚合，便可得到顏色鮮豔的複合水凝膠。

　　由於HPC分子間相互排斥作用力，HPC層可進行各項異性有序排列，形成周期性排列納米結構（溶致膽甾相）：HPC分子排列成層，兩個相鄰分子層的排列方向略有旋轉（圖2B/C），並周期性地堆積成螺旋結構（圖2A）；進一步研究發現，凝膠顏色與螺旋螺距（p）相關，因此，可以通過調節HPC濃度製備不同顏色的凝膠，例如：當HPC濃度從50wt%到70wt%時，凝膠的顏色從紅色變為紫色，歸因為p的減小（圖2D），該水凝膠為電子皮膚提供視覺交互作用，這是目前大多數材料所缺乏的。

　　

　　圖2 導電纖維素水凝膠的光學性質和納米結構

　　電子皮膚的熱傳感測試

　　PACA的熱響應效應使得凝膠對於溫度較為敏感，並且因PACA支架的彈性，因此賦予材料可逆恢復的能力，例如：當環境溫度上升，由於凝膠的膨脹，螺旋螺距增加，視覺偏向紅色；當溫度恢復後，顏色也隨之恢復。圖3B所示，分別含有50、60和68 wt%HPC濃度的電子皮膚隨溫度的上升顏色逐漸紅移；同時，通過循環實驗證實該電子皮膚具有顏色與電阻變化的可逆性（圖3D/E）。結果表明，該電子皮膚具有溫度感知功能，並且在多次溫度循環後仍能保持較好的熱敏性。

　　

　　圖3 電子皮膚的溫度傳感測試

　　電子皮膚的壓力/張力傳感測試

　　除了對溫度做出響應外，該電子皮膚可對壓力和張力等機械力做出響應：在力的作用下，凝膠內部的納米結構發生變化，從而使得顏色和電導率發生改變。通過按壓或者拉伸電子皮膚表面，受力區域出現明顯的視覺藍色偏移；撤出力後，顏色也隨之恢復（圖4A/B）。

　　

　　圖4 電子皮膚的壓力/張力傳感測試

　　多功能電子皮膚在人體手指上的應用

　　為進一步探討該電子皮膚的應用價值，將其貼於手指上進行測試，記錄在不同刺激下的實時信號。圖5A所示，分別進行3種操作：反覆接觸冰袋、用鑷子提供壓力以及手指的彎曲提供變化張力。結果發現，受刺激部位的顏色發生明顯的變化；此外通過記錄的電信號表明，材料的電阻也隨之發生精準的變化。

　　

　　圖5 多功能電子皮膚在人體手指上的應用

　　結論

　　趙遠錦教授團隊提出一種基於HPC、PACA和CNT的複合導電纖維素水凝膠的多功能電子皮膚，不僅可以通過顏色變化直觀反饋外界刺激，也可以通過電阻定量的變化進行反饋。雙信號傳感能力使得導電纖維素納米複合水凝膠有望為多功能柔性電子皮膚的設計和製備開啟新的篇章。

　　來源：高分子科學前沿

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