Small: 基于天然高分子水凝胶与图案化液态金属的可回收、多功能柔性电子

柔性电子器件在健康监测、人机交互等领域具有重要的应用价值。柔性电子通常采用弹性体作为基体材料,以导电聚合物等导体材料构筑可拉伸电路,实现传感监测等功能。近年来,液态金属由于其优异的变形能力、高导电率、良好的生物相容性而受到广泛关注,成为构筑柔性电子可拉伸电路及传感单元的理想材料。目前大部分基于弹性体的柔性电子器件,其力学性能与生物组织匹配度不高,疏水性基体阻碍了体内物质的交换,限制其进一步的应用。另一方面,弹性体往往难以回收利用,废弃的柔性电子给环境增加了负担。基于以上考虑,水凝胶在制备柔性电子器件中具有独特优势,尤其是具有可降解、可回收性能的天然高分子水凝胶。然而,基于水凝胶的柔性电子器件通常以整块凝胶作为传感单元,其结构和功能较为单一。在水凝胶中构筑图案化导电网络,并通过多个传感单元的集成可以实现器件功能的提升。

图1.多功能水凝胶柔性电子

浙江大学郑强吴子良团队联合西安交通大学胡建教授和北卡罗来纳州立大学Michael. D. Dickey教授报道了一种具有自修复可回收的多功能水凝胶柔性电子器件。通过模板印刷法在明胶-海藻酸钠天然高分子水凝胶表面构筑图案化液态金属,并在特定的位点嵌入功能性的传感单元,得到了多功能水凝胶柔性电子,可同时监测应变、温度、pH以及生物电信号。此外,作者还展示了这种多功能器件在电渗透皮给药方面的应用。

图2. 柔性电子热塑性与可回收性。

由于明胶-海藻酸钠天然高分子水凝胶具有温度调控的凝胶-溶胶转变特征,制备的水凝胶柔性电子可以通过简单加热进行塑形,从而使二维器件包覆在复杂的三维曲面上。进一步升高温度可以使凝胶转变为溶液状态,液态金属流动性增加并聚集成团,相分离后的凝胶和液态金属可以回收利用,通过进一步的加工设计得到具有新的传感功能的柔性电子器件。这种基于天然高分子凝胶及液态金属的可回收、多功能柔性电子有望实现更好的人机交互并减轻电子垃圾对环境的危害。

该研究工作得到国家自然科学基金的支持。

论文信息:

Healable, Recyclable, and Multifunctional Soft Electronics Based on Biopolymer Hydrogel and Patterned Liquid Metal

Xing Peng Hao, Chuan Wei Zhang, Xin Ning Zhang, Li Xin Hou, Jian Hu*, Michael D. Dickey*, Qiang Zheng, Zi Liang Wu*

Small

DOI: 10.1002/smll.202201643

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202201643