Advanced Functional Materials:基于Cassie-Baxter表面构筑技术实现可穿戴柔性应变传感器抗液体干扰和抗细菌黏附的设计策略

可穿戴式柔性电子应变传感器逐步被投入至日常消费产品、医疗健康、工业和军事等领域,未来可穿戴式柔性电子应变传感器将更具挑战性和发展前景,将不断与电子医疗、人工智能、生物芯片、大健康、云数据等战略性新兴产业进行融合创新,其需要攻关的技术难题不仅仅在于柔性器件本身的超灵敏、宽应变传感范围等传感性能的升级突破,为实现其多领域的技术融合和应用,可穿戴式柔性电子应变传感器需要在复杂运行环境下抗液体干扰而稳定传感运行是亟待解决的一个重要科学难题。因为复杂的环境(如水、酸、碱、盐、微生物等)会干扰柔性应变传感器,导致其电导率等电学性能的不稳定,从而影响柔性应变传感器的稳定性和缩短其使用寿命。例如:细菌若黏附在传感器表面将产生微生物腐蚀破坏导电层,水分子或其它分子若渗入导电层中不仅影响其电学性能且产生污损。避免液体干扰的传统技术是利用聚合物封装传感器,但其存在传感性能下降和封装工艺复杂等不足。为此,提出不封装直接在可穿戴式柔性电子应变传感器表面构筑Cassie-Baxter润湿状态实现抗液滴传感干扰的科学假说,并揭示其内在机制,具有重要的研究意义。

广州大学林璟副教授研究团队研究发现:基于Wenzel表面润湿状态的MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性电子应变传感器在传感过程中极易受外在液体的干扰,结合实验数据和Wenzel表面润湿状态下液体干扰模型分析,得知其液体会发生内渗现象,导电通路发生变化,电阻减小,拉伸传感灵敏度下降,拉伸范围受限等不良干扰结果。通过表面润湿理论分析其原因,是因为Wenzel润湿状态下的柔性传感器不具备超疏水、水下疏油、自清洁、防污等性能,易黏附水性或油性的水或油滴,同时也容易黏附细菌,导致其电学性能易受各类液体的干扰性影响。

广州大学林璟副教授研究团队针对未封装应变传感器在拉伸传感过程中易受外在液体干扰的科学难题,首次提出了一种基于Cassie-Baxter表面构筑技术实现传感器抗液体干扰和抗细菌黏附的策略,从微纳结构设计、表面润湿理论、传感机制等方面阐明了其获得抗液体干扰和抗细菌黏附的关键技术理论。

其技术创新在于传感器结构设计特征为类三明治夹心结构,底层为超弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底,中间层为LBL式碳纳米管/石墨烯(MWCNT/G)导电传感层和(氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)键合层,外层为修饰的纳米银粒子和氟化层。F/Ag/MWCNT/G-PDMS(FAMG)传感器多级结构表面的设计实现了由Wenzel至Cassie-Baxter的转变,外在的表面液滴由于需要克服表面能垒难于渗入传感器的内部导电层,液滴被表面微纳结构内嵌的空气层阻隔犹如“气垫”将液滴悬浮于上空,呈现出大的超疏水接触角(157°)、较小的滚动角(4°)、较大的水下油接触角(142°)、水下油黏附力(≈0μm),对各类测试液滴(绿茶、红茶、橙汁、可乐、牛奶、酸(pH = 1)、碱(pH = 10)、盐(0.4 mol/L)、细菌液滴(104 CFU/mL)都具有良好的抗黏附性和抗传感干扰性,其表面具备超疏水、水下疏油、自清洁、防污、抗细菌黏附等性能,该可穿戴式柔性电子应变传感器在1000次拉伸-回缩循环后,液体干扰情况下其灵敏度高达1989,并具有宽的拉伸传感测试范围(0.1-170%)、和快速响应能力(响应和恢复时间为150ms),体现出优异的传感性能和稳定的抗液体干扰性能。在人工降雨测试中,监测电子鸟运动行为的FAMG可穿戴式柔性电子传感器具有很强的抗液体干扰和抗细菌黏附性,并测试穿戴在人体各部位(脉搏、手腕、手指、膝盖)的运动行为,实现了在复杂环境下对人体活动全方位精准监测,表明了该传感器在复杂环境中具有良好的适应性。

其理论创新在于提出了抗液体传感干扰的设计策略和揭示了新型多级结构的超灵敏宽范围应变传感器的内在传感机制,揭示了MWCNT/G导电层的裂纹扩展效应和APTES/MWCNT/G中间隔离层的终端裂纹扩展效应是产生超灵敏的内在机制,MWCNT的微桥效应和APTES/MWCNT/G中间隔离层的滑移效应是宽拉伸传感应用范围的主要内因,构筑多级结构的Cassie-Baxter表面润湿态是抗液体传感干扰的关键技术理论基础,超疏水和水下疏油润湿特性是抗细菌黏附的内在机制。

相关成果发表以“Anti‐liquid‐Interfering and Bacterially Antiadhesive Strategy for Highly Stretchable and Ultrasensitive Strain Sensors Based on Cassie‐Baxter Wetting State”为题,在线发表在Advanced Functional Materials上(DOI:10.1002/adfm.202000398),广州大学林璟副教授为该论文的第一作者和通讯作者,北京师范大学刘楠教授和The University of Tennessee ZhanHu Guo副教授为共同通讯作者。