應(yīng)變傳感器的研究開發(fā)促進(jìn)了人工智能、表皮微電子機(jī)械系統(tǒng)、可植入生物傳感器和生物診斷等領(lǐng)域的發(fā)展。為了進(jìn)一步促進(jìn)應(yīng)變傳感器的實(shí)際應(yīng)用，考慮其在使用過程中的穩(wěn)定性尤為重要。尤其在一些惡劣環(huán)境，如水、微生物、酸性、堿性等條件下可能導(dǎo)致器件導(dǎo)電性和電子傳感不穩(wěn)定，從而影響應(yīng)變傳感器性能，縮短其使用壽命。例如，微生物水環(huán)境中的細(xì)菌會(huì)附著在傳感器表面，腐蝕導(dǎo)電層，從而干擾傳導(dǎo)通路。水可以滲透到傳導(dǎo)通路，干擾傳感性能。為了避免液體環(huán)境對(duì)傳感器性能影響，延長其使用壽命，超疏水傳感器表面的構(gòu)筑是一個(gè)很好的策略。由于液體與超疏水表面之間的接觸面積很小，液體很難滲透到傳感器的導(dǎo)電層中。但以往報(bào)道的超疏水傳感器主要集中在設(shè)計(jì)應(yīng)變傳感器的超疏水功能，而如何設(shè)計(jì)抗液體干擾的應(yīng)變傳感器以及抗液體干擾的機(jī)理研究等方面，至今未見報(bào)道。
近日，廣州大學(xué)林璟副教授、北京師范大學(xué)劉楠教授以及美國田納西大學(xué)郭占虎副教授合作提出了一種制備抗液體干擾以及細(xì)菌粘附的柔性應(yīng)變傳感器的新策略。作者通過構(gòu)筑具有獨(dú)特的含氟微/納米多級(jí)結(jié)構(gòu)的F/Ag/MWCNG/G-PDMS（FAMG）應(yīng)變傳感器，使液體在傳感器表面處于Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)，表現(xiàn)出超疏水性及自清潔功能。該傳感器在應(yīng)變傳感測試中表現(xiàn)出超穩(wěn)定的抗液體干擾性，同時(shí)具有靈敏度高，應(yīng)變范圍寬，響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。作者還深入探討了Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)在應(yīng)變傳感中抗液體干擾的作用以及應(yīng)變傳感器靈敏度高、應(yīng)變范圍寬的原因。此外，傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性和水下疏油性，使其具有較好的抗液體干擾以及抗細(xì)菌粘附性能。最后，將該傳感器應(yīng)用于電子鷹在戶外和人工降雨時(shí)的翅膀運(yùn)動(dòng)監(jiān)測以及復(fù)雜環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，表明其在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。
該工作以題目為“Anti-liquid-Interfering andBacterially Antiadhesive Strategy for Highly Stretchable and UltrasensitiveStrain Sensors Based on Cassie-Baxter Wetting State”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020,2000398)上。
【圖文解析】
作者首先制備了常規(guī)的MWCNT/G-PDMS應(yīng)變傳感器，并探究不同液滴滴入器件表面對(duì)傳感器電阻的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)液體放置在傳感器表面，電阻會(huì)減小。雖然石墨烯和MWCNT使得MWCNT / G-PDMS應(yīng)變傳感器表面具有一定疏水性，但此情況下，應(yīng)變傳感器上的液滴可以認(rèn)為處于Wenzel潤濕狀態(tài)，液滴與應(yīng)變傳感器的導(dǎo)電層之間存在較大的接觸面積。并且液體會(huì)逐漸滲透拉伸過程生成的裂紋，隨著拉伸量的增加，接觸角明顯減小。因此當(dāng)液滴在傳感器表面時(shí)，電阻會(huì)減小，從而影響傳感器性能。于是，作者基于MWCNT/G-PDMS，通過構(gòu)建含氟及銀納米顆粒的微/納米多級(jí)結(jié)構(gòu)（F/Ag/MWCNG/G-PDMS (FAMG)），設(shè)計(jì)了FAMG應(yīng)變傳感器，使得液滴在傳感器表面呈Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)。在這種情況下，液滴漂浮在能夠防止液滴與導(dǎo)電層接觸的空氣層上，不會(huì)有液體滲透到導(dǎo)電膜中影響電阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體干擾的抵抗。同時(shí)，利用APTES作為導(dǎo)電層與襯底之間、相鄰導(dǎo)電層之間的粘接劑，使得形成中間分離層的終端斷裂和滑移，從而能夠使該FAMG 應(yīng)變傳感器獲得超高靈敏度以及較寬的應(yīng)變范圍。
FAMG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感及抗液體干擾性能如圖2所示。作者通過在傳感器表面滴入不同的液滴，考察了其抗液體干擾性。結(jié)果顯示，液體對(duì)傳感器電阻影響較小，說明傳感器具有良好的抗液體干擾性能。同時(shí)，此結(jié)構(gòu)中粘結(jié)層的構(gòu)筑也使得傳感器具有超高的靈敏度（GF=2059, 160%-180%應(yīng)變）以及超快的響應(yīng)時(shí)間（150 ms）。通過循環(huán)測試發(fā)現(xiàn)，傳感器表現(xiàn)出較高的重復(fù)性以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性，使得其在實(shí)際應(yīng)用中具有極大的應(yīng)用潛力。
為了進(jìn)一步闡明傳感器在應(yīng)變傳感過程中防液體干擾的機(jī)理，作者通過建立應(yīng)變傳感模型以及相應(yīng)掃描電鏡結(jié)果進(jìn)行分析。傳感器結(jié)構(gòu)模型如圖3a所示，包括和基底表面由于硅氧烷和羥基作用緊密結(jié)合APTES底層， APTES層與相鄰的MWCNT/G緊密結(jié)合形成的中間層(APTES/MWCNT/G)，無粘結(jié)的MWCNT/G核心層以及 F/Ag/MWCNT/G多級(jí)結(jié)構(gòu)外層覆蓋層。當(dāng)沒有施加應(yīng)變時(shí)，傳感器表面呈現(xiàn)一個(gè)沒有裂紋的褶皺表面。由于氟碳鏈的低表面能與Ag/MWCNT/G微/納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，可以看到褶皺縫隙中填充了一層空氣層，此時(shí)FAMG應(yīng)變傳感器處于超疏水的Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)，液滴懸浮在空氣層中，阻礙了液滴與導(dǎo)電層的接觸，使液體無法滲透到導(dǎo)電層中。將FAMG應(yīng)變傳感器拉伸至60%時(shí)，傳感器表面出現(xiàn)微裂紋，但由于多壁碳納米管形成的微橋和中間分離層的滑移，核心層中的石墨烯相互重疊，導(dǎo)電通路保持連接。當(dāng)FAMG傳感器應(yīng)變?cè)黾拥?10%，核心層中大部分未鍵合的重疊石墨烯完全分離，盡管裂紋間隙中存在橋接，一些MWCNTs開始分離。隨著進(jìn)一步拉伸，MWCNTs的微橋接逐漸減少。中間分離層(APTES/MWCNT/G)由于拉伸過程中牽引力的增加而發(fā)生滑移，使得粘結(jié)重疊的石墨烯分離導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展，從而電阻迅速增加。由于FAMG應(yīng)變傳感器表面始終保持Cassie?Baxter潤濕狀態(tài)，盡管施加了很大的壓力，但液體并沒有干擾傳感器。因此， FAMG應(yīng)變傳感器的電阻變化是由裂紋數(shù)量和裂紋面積的增加所主導(dǎo)的。而傳感器抗液體干擾性能則與超疏水的Cassie -Baxter潤濕狀態(tài)密切相關(guān)。
為了展示FAMG應(yīng)變傳感器在柔性可穿戴電子設(shè)備中的潛在應(yīng)用，作者將其用于電子鷹在戶外和人工降雨時(shí)的翅膀運(yùn)動(dòng)監(jiān)測以及復(fù)雜環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測（圖4）。結(jié)果顯示，當(dāng)用于電子鷹在戶外和人工降雨時(shí)的翅膀運(yùn)動(dòng)監(jiān)測時(shí)，傳感器顯示穩(wěn)定的電阻變化，表明其性能穩(wěn)定。而通過在細(xì)菌液滴入情況下檢測人體常規(guī)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果顯示，傳感器具有較好的抗液體干擾以及細(xì)菌粘附性能，使得其應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中對(duì)細(xì)微和劇烈運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)傳感具有較大的應(yīng)用潛力。
綜上所述，本文提出了一種制備耐液體干擾和細(xì)菌粘附的柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的新策略，并證實(shí)了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用潛力。該傳感器不受多種液體的干擾并且具有極高的靈敏度以及穩(wěn)定性。同時(shí)，傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性和水下疏油性，對(duì)防止液體和細(xì)菌粘附對(duì)應(yīng)變傳感的干擾具有重要作用。其作為可穿戴電子設(shè)備成功應(yīng)用于人工降雨和細(xì)菌飛沫中人類和電子鳥的一系列運(yùn)動(dòng)監(jiān)測。因此，這種抗液體干擾和細(xì)菌粘附的策略為設(shè)計(jì)適用于復(fù)雜環(huán)境的柔性、可穿戴式應(yīng)變傳感器提供了一條新途徑。
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