微图案化金纳米线/PAAm弹性复合水凝胶及其可穿戴压力传感器应用

柔性电子器件可用于模拟皮肤,感知外界微小压力等物理量变化,在可穿戴的医疗设备和柔性机器人领域具有广阔的应用前景。其中,基于弹性高分子材料的压阻式柔性压力传感器由于其结构简单、成本低、方便信号读出而备受大家关注。但是,目前所报道的压阻式柔性压力传感器灵敏度和压力检测范围难以同时兼顾,在实际应用中具有很大的局限性。弹性水凝胶由于具有极大的相对可拉伸性,同时具有很好的弹性,成为了制备柔性压力传感器的新型材料。但如何同时实现高灵敏和大量程,还没有很好的解决方案。

香港理工大学张阿平课题组及其合作者针对这一问题,采用全数字化紫外曝光技术,对金纳米线/PAAm弹性复合水凝胶的光交联进行了精准调控,并进行微图案化,同时打印柔性压力传感器。该光交联弹性水凝胶包含交联聚丙烯酰胺、聚丙烯酸和钙离子,它们之间存在三种作用力,即共价键、静电作用力和氢键作用力。当该水凝胶被施加压力时,较弱的静电作用力和氢键作用力会被打破,来抵消挤压所产生的内能;而共价键能够保持水凝胶的网络结构不被破坏,使得压力撤走后可恢复其原有几何形状。该水凝胶被微图案化成微米尺度的周期性垄结构后,由于微结构为水凝胶的弹性形变提供了更多的空间,进一步增强了其弹性。而垄微结构使得水凝胶内的金纳米线之间出现两种接触模式,即垄内金纳米线接触及相邻垄间接触。不同的微垄几何参数,可以用于有效调节不同压力范围内的复合水凝胶压阻特性,进而可以在提高压力传感器灵敏度的同时,保持了较大的量程,解决了灵敏度和量程二者不能同时兼顾的问题。实验中,该水凝胶还被打印到多种柔性电极上,制备了可穿戴的压力传感器,演示了手腕脉搏信号监测,以及多个手指与物体的接触监测等。

该研究一方面为如何对弹性水凝胶进行微图案化加工提供了新的技术,另一方面为研制新型可穿戴压力传感器设备展示了新的途径。相关研究成果在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800051)上,并于当期后封面做简要介绍。   

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