静电纺渗透性超弹性液态金属纤维毡构建可拉伸电子器件

可伸缩电子产品广泛应用于各种应用领域,如可穿戴电子产品、皮肤电子产品、软机器人和生物电子产品(www.kwcw.net)。传统使用弹性薄膜构建的可伸缩电子设备缺乏渗透性,这不仅会影响穿戴舒适性,长期佩戴后会引起皮肤炎症,而且限制了设备在垂直方向上的集成设计尺寸。

近日,香港理工大学郑子剑教授团队报道了一种可拉伸的导体,它是通过简单地将液态金属涂覆或印刷在静电纺丝弹性体纤维垫上而制成的,并把这种可拉伸的导体称为液态金属纤维垫。液态金属悬挂在弹性纤维之间,自组织成横向网状和垂直弯曲的结构,同时提供高渗透性、延展性、导电性和电气稳定性。此外,态金属纤维毡具有良好的生物相容性和对全向拉伸的智能适应性超过1800%的应变。并演示了液态金属纤维垫的使用,以构建高渗透性、多功能的单片可伸缩电子器件。

LMFMs通过三个简单步骤制备:(1) 静电纺丝超弹性纤维毡,(2) 在可拉伸毡上涂覆液态金属,(3) 通过预拉伸激活渗透性。作为概念验证,选择了聚苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯(SBS)和共晶镓-铟合金(EGaIn)作为弹性体和液态金属。制作了一个具有320µm厚SBS衬垫和0.8mg cm−2 EGaIn质量载荷的LMFM样品。SBS微纤维的平均直径为2.7µm(图1b), SBS毡的断裂应变为2300%(图1e)。这种新制备的涂覆EGaIn的SBS毡呈现出有光泽的金属样表面,透气性很小(图1c)。为了激活渗透性,将衬底反复拉伸至1800%的应变,循环12次,在此过程中,闪亮的表面变得暗淡,平面EGaIn转变为悬浮在SBS微纤维之间的网格状多孔结构(图1d)。激活后的样品记为0.8EGaIn- sbs(“0.8”表示EGaIn的负载量,即0.8mg cm−2)。

图1 |渗透性和超弹性的LMFM。a,LMFM典型制造过程的示意图。b–d,静电纺SBS毡的数字图像和扫描电子显微镜(SEM)图像(b),涂有EGaIn的SBS毡(EGaIn的负载量:0.8μmgcm-2)(c)和可渗透的0.8EGaIn-SBS通过预拉伸(d)激活后。e,电纺SBS毡和0.8EGaIn-SBS的应力-应变曲线。f,将0.8GaIn-SBS与商业尼龙布、医用贴片、PDMS膜和Ecoflex膜的透气性和透湿性进行比较。g,等离子处理前后0.8EGaIn-SBS的水接触角测量(左图)和上面滴有人造汗水(红色),水(黄色)和酒精(蓝色)的0.8EGaIn-SBS的数字图像已应用(右侧面板)。h,0.8EGaIn-SBS的电阻变化与拉伸应变的关系(RS表示拉伸状态下的电阻,RS0表示零应变状态下的电阻)。h中的插图图像显示应变为0%和1,000%时的0.8EGaIn-SBS。

超弹性机制:

EGaIn-SBS的超高拉伸性和电稳定性主要归因于液态金属,形成了横向网状和垂直起皱的结构。该结构是在预拉伸激活步骤中自行形成的(图2)。在活化过程中,当基体拉伸到1800%应变时,致密的EGaIn薄膜破裂成网状结构,由于EGaIn总表面的增加,形成了新的氧化物(图2a)。氧化层比液态金属硬得多,因此当基体缓慢地返回到0%应变时,由于较硬的上层氧化层和较软的底层基体之间的机械竞争,又获得了弯曲。

图2 | LMFM的超弹性机理。a,显示制备可渗透的EGaIn-SBS垫的预拉伸活化过程的示意图。b,示意图、形貌和横截面SEM图像(分别为上两个面板和最下面的面板)显示了拉伸过程中0.8EGaIn-SBS的详细结构。

稳定和自适应超弹性:

活化的EGaIn-SBS在变形时由于多孔结构和带扣的可逆转变而获得了长周期稳定性。例如,经过100个以上的拉伸周期,分别达到1000%和1800%,0.8EGaIn-SBS的电阻仅分别增加了18%和36%(图3a中的红色和黑色曲线)。

重要的是,EGaIn-SBS具有智能的自适应性:由于SBS衬底和EGaIn的各向同性拉伸性能,其褶皱取向可以根据拉伸方向的变化进行重构。这种智能的自适应功能可实现全向拉伸性和稳定性,而无需任何特定的设计。因此,在经常发生复杂变形的应用中,EGaIn-SBS尤其出色。它还可以在需要同时使用多个具有不同拉伸方向的可拉伸设备的情况下提供出色的设计灵活性。

图3 | LMFM的稳定和自适应超弹性。a,在不同应变下,0.8EGaIn-SBS的电阻变化与拉伸循环的关系。b,具有不同的EGaIn加载量的EGaIn-SBS的品质因数(Q)作为拉伸应变的函数。c,显示了在拉伸过程中EGaIn-SBS的自适应性的示意图。d,EGaIn-SBS的电阻随拉伸周期(1800%应变)的变化以及拉伸方向的变化(RS是指拉伸状态下的电阻,RS0是释放状态下的电阻)。d中的插图是SEM图像,显示了2.0EGaIn-SBS的适应性。

图4 | LMFM的生物相容性。a,在具有对照样品、吸收性纱布、SBS垫、2.0EGaIn-SB和20%DMSO的培养液中培养的细胞的明场和荧光图像。b,不同孵育组中L-929细胞活力的定量。c,孵育1、2和3天后,不同孵育组在MTT测定中在570nm处的吸收。误差线(b,c)显示标准偏差。d,数字图像显示志愿者前臂上不同材料的皮肤刺激结果。

图5 | EGaIn-SBS的印刷和封装。a,在预拉伸激活之前(顶部)和之后(底部)以各种EGaIn图案模版印刷的SBS毡的数字图像(比例尺,1 cm)。b,显示超弹性图案化的EGaIn-SBS的数字图像。c,印刷有EGaIn互连并在释放状态(左)和拉伸和扭曲状态(右)安装有LED的封装的可拉伸垫的数字图像。通过在表面上进行SBS微纤维的后静电纺丝将其包裹起来。c中的插图显示了封装的可拉伸薄膜的横截面结构垫。d,印有EGaIn互连和水下安装的LED的封装可拉伸垫的数字图像。该垫在释放状态(左)和伸展状态(右)下在水下的性能都很好。e,封装的可拉伸垫的电阻与洗涤时间的关系。

图6 |单片可拉伸电子器件。a,示意图显示了通过交替电纺SBS纤维和模版印刷EGaIn电极来制造垂直堆叠的整体式可拉伸毡。b,三层单片可拉伸装置的数字图像以及每一层中的EGaIn电极结构。顶层(皮肤旁边)是ECG传感器,中间层是汗液传感器,底层是电加热器。c,三层单片可拉伸装置的顶层(ECG电极)的ECG信号。d,响应于不同的汗液量,三层整体可拉伸装置的中间层(汗液传感器)在不同应变下的电容(磷酸盐缓冲盐水(PBS)代表汗液)。e,响应不同浓度的NaCl溶液(使用NaCl水溶液代表人的汗液),不同应变下的中间层的电容。f,三层整体可拉伸装置的底层(加热器)的温度逐步升高,电压从0.07 V增加到0.75 V. g,加热器温度作为拉伸应变的函数(驱动电压为0.15 V)。h,加热器在0.2 V驱动电压下反复加热循环运行的温度。

综上所述,LMFMs是一种新型的可拉伸导体,可以通过在弹性静电纺丝纤维毡上涂覆或印刷液态金属来制备。通过简单的预拉伸过程,液态金属会自组织成横向多孔且垂直弯曲的网状物,该网状物悬挂在弹性纤维之间。与其他基于液态金属的最新可拉伸导体相比,LMFMs是迄今为止唯一能够同时实现超高导电性、超高Q值、超高应变、高生物相容性和高渗透性的材料策略。展示了一种概念验证的三层整体可伸缩电子垫,具有独特的渗透性和全超弹性的优势。原则上,可以通过增加设备层的数量来实现更多的功能。作者预计,LMFMs将成为一个通用和用户友好的平台,用于制造集成密度高、多功能和长期耐磨的单片可拉伸电子产品。

来源:易丝帮

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00902-3

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