拉伸浸润现象 ——两根橡皮筋间的液桥构成的可穿戴柔性传感器

柔性可拉伸电子学是当前电子学领域的研究热点之一。通常,该类传感器由力学部分和电学部分构成。高分子弹性纤维材料由于其优良的拉伸性能被广泛应用于构筑可拉伸传感器的力学部分。对于构筑可拉伸传感器的电学部分,目前的研究往往利用固体导电物质,如金属/半导体纳米颗粒、纳米线或者纳米片等。对于这种传感器的设计思路,在传感器遭遇较大形变的过程中,由于固体导电材料与高分子弹性材料之间的杨氏模量差异(1000000倍左右),导电材料将会出现局部断裂,导致柔性电子设备出现不稳定的电学性能。

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澳大利亚莫纳什大学的苏彬博士、关丽云博士和他们的合作者提出利用离子液体作为替代固体导电材料用于构筑柔性传感器电学部分的设想。液态导电体相对于固态导电体,具有较低的杨氏模量,因而在大弹性形变下,能随着弹性纤维材料的形变而拉伸并保持相对稳定的电学性能。同时,他们对反复拉伸过程中导电液体与弹性纤维材料之间的浸润机制进行了初步的研究。他们以离子液体在两根平行橡皮筋间的浸润行为为研究模型,发现离子液体种类(碳链长短)、纤维间的距离及离子液体体积对液体在纤维上的行为(拉伸、或收缩)有极大影响。 在离子液体浸润弹性纤维材料的最佳条件下,这种橡皮筋间的液体浸润体系可以制成可拉伸电子传感器,并具有较高的灵敏性及良好的电学稳定性,即使在极端的拉伸条件下(拉伸应变 1 %-800 %),也表现出良好的电学性能。将这种柔性传感器缝合在衣物上,可用于实时监测人体运动行为,用以诊断如帕金森综合征、防止运动伤害等。这种可拉伸浸润行为的研究将为未来可穿戴柔性及可拉伸电子设备的制备提供一种新的思路。相关论文发表在Advanced Functional Materials( DOI: 10.1002/adfm.201600443)上。