抗液體幹擾以及細菌粘附的柔性應變傳感器制備新策略

應變傳感器的研究開發促進瞭人工智能、表皮微電子機械系統、可植入生物傳感器和生物診斷等領域的發展。為瞭進一步促進應變傳感器的實際應用,考慮其在使用過程中的穩定性尤為重要。尤其在一些惡劣環境,如水、微生物、酸性、堿性等條件下可能導致器件導電性和電子傳感不穩定,從而影響應變傳感器性能,縮短其使用壽命。例如,微生物水環境中的細菌會附著在傳感器表面,腐蝕導電層,從而幹擾傳導通路。水可以滲透到傳導通路,幹擾傳感性能。為瞭避免液體環境對傳感器性能影響,延長其使用壽命,超疏水傳感器表面的構築是一個很好的策略。由於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電層中。但以往報道的超疏水傳感器主要集中在設計應變傳感器的超疏水功能,而如何設計抗液體幹擾的應變傳感器以及抗液體幹擾的機理研究等方面,至今未見報道。

抗液體幹擾以及細菌粘附的柔性應變傳感器制備新策略

近日,廣州大學林璟副教授、北京師范大學劉楠教授以及美國田納西大學郭占虎副教授合作提出瞭一種制備抗液體幹擾以及細菌粘附的柔性應變傳感器的新策略作者通過構築具有獨特的含氟微/納米多級結構的F/Ag/MWCNG/G-PDMS(FAMG)應變傳感器,使液體在傳感器表面處於Cassie-Baxter潤濕狀態,表現出超疏水性及自清潔功能。該傳感器在應變傳感測試中表現出超穩定的抗液體幹擾性,同時具有靈敏度高,應變范圍寬,響應時間快等優點。作者還深入探討瞭Cassie-Baxter潤濕狀態在應變傳感中抗液體幹擾的作用以及應變傳感器靈敏度高、應變范圍寬的原因。此外,傳感器表現出優異的超疏水性和水下疏油性,使其具有較好的抗液體幹擾以及抗細菌粘附性能。最後,將該傳感器應用於電子鷹在戶外和人工降雨時的翅膀運動監測以及復雜環境下人體運動監測,表明其在可穿戴電子設備領域的潛在應用價值。

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”發表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020,2000398)上。

【圖文解析】

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圖1。抗液體幹擾的應變傳感器制備策略

作者首先制備瞭常規的MWCNT/G-PDMS應變傳感器,並探究不同液滴滴入器件表面對傳感器電阻的影響。結果顯示,當液體放置在傳感器表面,電阻會減小。雖然石墨烯和MWCNT使得MWCNT / G-PDMS應變傳感器表面具有一定疏水性,但此情況下,應變傳感器上的液滴可以認為處於Wenzel潤濕狀態,液滴與應變傳感器的導電層之間存在較大的接觸面積。並且液體會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。因此當液滴在傳感器表面時,電阻會減小,從而影響傳感器性能。於是,作者基於MWCNT/G-PDMS,通過構建含氟及銀納米顆粒的微/納米多級結構(F/Ag/MWCNG/G-PDMS (FAMG)),設計瞭FAMG應變傳感器,使得液滴在傳感器表面呈Cassie-Baxter潤濕狀態。在這種情況下,液滴漂浮在能夠防止液滴與導電層接觸的空氣層上,不會有液體滲透到導電膜中影響電阻,從而實現對液體幹擾的抵抗。同時,利用APTES作為導電層與襯底之間、相鄰導電層之間的粘接劑,使得形成中間分離層的終端斷裂和滑移,從而能夠使該FAMG 應變傳感器獲得超高靈敏度以及較寬的應變范圍。

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圖2.FAMG應變傳感器的傳感性能及抗液體幹擾性

FAMG應變傳感器的應變傳感及抗液體幹擾性能如圖2所示。作者通過在傳感器表面滴入不同的液滴,考察瞭其抗液體幹擾性。結果顯示,液體對傳感器電阻影響較小,說明傳感器具有良好的抗液體幹擾性能。同時,此結構中粘結層的構築也使得傳感器具有超高的靈敏度(GF=2059, 160%-180%應變)以及超快的響應時間(150 ms)。通過循環測試發現,傳感器表現出較高的重復性以及良好的循環穩定性,使得其在實際應用中具有極大的應用潛力。

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圖3.FAMG應變傳感器抗液體幹擾及傳感機理研究

為瞭進一步闡明傳感器在應變傳感過程中防液體幹擾的機理,作者通過建立應變傳感模型以及相應掃描電鏡結果進行分析。傳感器結構模型如圖3a所示,包括和基底表面由於矽氧烷和羥基作用緊密結合APTES底層, APTES層與相鄰的MWCNT/G緊密結合形成的中間層(APTES/MWCNT/G),無粘結的MWCNT/G核心層以及 F/Ag/MWCNT/G多級結構外層覆蓋層。當沒有施加應變時,傳感器表面呈現一個沒有裂紋的褶皺表面。由於氟碳鏈的低表面能與Ag/MWCNT/G微/納米結構的協同作用,可以看到褶皺縫隙中填充瞭一層空氣層,此時FAMG應變傳感器處於超疏水的Cassie-Baxter潤濕狀態,液滴懸浮在空氣層中,阻礙瞭液滴與導電層的接觸,使液體無法滲透到導電層中。將FAMG應變傳感器拉伸至60%時,傳感器表面出現微裂紋,但由於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,導電通路保持連接。當FAMG傳感器應變增加到110%,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。隨著進一步拉伸,MWCNTs的微橋接逐漸減少。中間分離層(APTES/MWCNT/G)由於拉伸過程中牽引力的增加而發生滑移,使得粘結重疊的石墨烯分離導致裂紋快速擴展,從而電阻迅速增加。由於FAMG應變傳感器表面始終保持Cassie−Baxter潤濕狀態,盡管施加瞭很大的壓力,但液體並沒有幹擾傳感器。因此, FAMG應變傳感器的電阻變化是由裂紋數量和裂紋面積的增加所主導的。而傳感器抗液體幹擾性能則與超疏水的Cassie -Baxter潤濕狀態密切相關。

為瞭展示FAMG應變傳感器在柔性可穿戴電子設備中的潛在應用,作者將其用於電子鷹在戶外和人工降雨時的翅膀運動監測以及復雜環境下人體運動監測(圖4)。結果顯示,當用於電子鷹在戶外和人工降雨時的翅膀運動監測時,傳感器顯示穩定的電阻變化,表明其性能穩定。而通過在細菌液滴入情況下檢測人體常規運動,結果顯示,傳感器具有較好的抗液體幹擾以及細菌粘附性能,使得其應用於復雜環境中對細微和劇烈運動的實時傳感具有較大的應用潛力。

抗液體幹擾以及細菌粘附的柔性應變傳感器制備新策略
圖4.抗液體幹擾和細菌粘附的可穿戴式FAMG應變傳感器的應用研究

綜上所述,本文提出瞭一種制備耐液體幹擾和細菌粘附的柔性可穿戴應變傳感器的新策略,並證實瞭其在復雜環境中的應用潛力。該傳感器不受多種液體的幹擾並且具有極高的靈敏度以及穩定性。同時,傳感器表現出優異的超疏水性和水下疏油性,對防止液體和細菌粘附對應變傳感的幹擾具有重要作用。其作為可穿戴電子設備成功應用於人工降雨和細菌飛沫中人類和電子鳥的一系列運動監測。因此,這種抗液體幹擾和細菌粘附的策略為設計適用於復雜環境的柔性、可穿戴式應變傳感器提供瞭一條新途徑。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000398

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