英国拉夫堡大学刘艺团队《AFM》发表突破性研究：从绿色材料到柔性超灵敏智能温控——月桂酸多功能传感器的创新之路

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-11 09:16

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在可穿戴设备和医疗健康领域，如何实现更精准且环保的温控传感器，一直是科研人员关注的重点。近期，拉夫堡大学刘艺副教授团队，联合帝国理工学院，华威大学及南安普顿大学学者等，成功开发了一种基于月桂酸（Lauric Acid）和石墨烯纳米片（GNP）的弹性复合材料薄膜。该柔性传感器不仅能够在人体体温变化范围内精准响应，还具备自调节加热与被动冷却的双重功能，为可穿戴设备和健康监测提供了全新解决方案。本研究的第一作者郭鸿旭是拉夫堡大学三年级博士研究生，研究方向主要包括智能热管理材料、功能复合材料与可穿戴传感器。他长期致力于开发新型智能材料，并在温控功能材料领域取得了一系列创新性研究成果。

从挑战到突破：高灵敏温控传感器的诞生

人体温度通常在35至 40摄氏度之间波动，而传统温控传感器往往无法在这一低温范围内作出精准响应。为了解决这一难题，研究团队创新性地将月桂酸这一生物基相变材料与石墨烯纳米片结合，开发出了一种具有显著温度响应性的复合材料。实验结果表明，该传感器在35至 40摄氏度的温度区间内，电阻变化高达4个数量级，温度电阻系数（TCR）最高可达471.4% °C⁻¹，显著提高了温控性能。同时，月桂酸的生物基特性不仅提升了复合材料的热响应性能，还为可穿戴设备提供了环保解决方案。此外，传感器在折叠、弯曲和扭转等形变下仍能稳定工作，完全符合可穿戴设备对材料柔韧性的要求。

图1. SEBS/LA/GNP温度传感器的热感应性能对比，并提供了其在不同形变下（折叠、弯曲、扭曲、拉伸）的照片

自调节温控：低温下的创新性PTC效应

正温度系数（PTC）材料广泛应用于过流保护、温度传感器和电池保护等领域，其工作原理是随着温度升高，材料的电阻发生突变，从而实现自调节温控。然而，现有的PTC材料在实际应用中仍面临挑战，尤其是在低温环境下，传统PTC材料的电阻突变通常发生在100°C以上，远远超出人体温度监测所需的温度范围。某些PTC材料甚至出现负温度系数（NTC）现象，削弱了温控性能。而且，由于高填料含量，许多PTC复合材料的柔性不足，难以满足可穿戴设备的需求。

图2. 制备的温度传感器与热电偶在15次指尖接触过程中测得的温度对比；SEBS/LA/GNP传感器连续监测额头温度的结果，并展示运动前、中、后的红外图像；在正常与快速呼吸条件下的呼吸监测，插图为传感器附在面罩上监测呼吸频率及其水接触角。

为了克服这些问题，研究团队创新性地将月桂酸（LA）引入复合材料中。月桂酸低熔点（43°C）、高膨胀系数（2400 × 10 ^-6 °C ^-1 ）及高结晶度的特性，显著增强了材料在人体温度范围内的响应能力。加热过程中，月桂酸的高膨胀系数引发复合材料的体积膨胀，促进导电网络的重构，从而使电阻发生急剧变化。这使得该复合材料在接近人体体温的低温范围内能够实现精准的自调节加热功能。同时，材料还具备被动冷却功能，有效降低温度，满足可穿戴设备对温控精度的高要求。

图3. a) 不同SEBS/LA比例下温度对电阻率的影响；b) 不同SEBS/LA比例的PTC强度；c) 固定SEBS/LA比例下，温度对电阻率的影响与GNP加载量变化；d) 固定SEBS/LA比例下，不同GNP加载量的PTC强度。

环保性与柔性：突破性特性引领未来

月桂酸作为植物油衍生的生物基材料，具有优异的化学稳定性与无毒性，能够确保在直接接触皮肤的应用场景中安全使用。研究还发现，SEBS/LA/GNP复合材料在低温下展示了前所未有的PTC响应能力，特别适合人体体温监测和自调节加热应用。采用原位光学显微镜技术，研究团队首次直观地展示了复合材料中导电网络随温度变化的动态演变过程，进一步验证了PTC效应在低温范围内的有效性。

图4. a–c) 在热冷循环过程中观察到的SEBS/LA (67:33)/GNP (6.7 wt.%)样品的横截面，厚度为10 µm，展示了重结晶及可逆且重复的PTC特性（比例尺100 µm）；d) 热冷循环过程中导电网络（红线）的破坏与重建的示意图。

展望未来：智能穿戴设备的革命性进展

随着科技的不断进步，未来智能穿戴设备将越来越多地融入人们的日常生活，而温控技术将成为其中不可或缺的关键因素。通过自调节加热和被动冷却功能，月桂酸/石墨烯弹性复合材料无疑为智能穿戴设备的温控系统带来了革命性的进展。

该项技术不仅具有极高的学术价值，而且在实际应用中展现出巨大的市场潜力。随着温控技术的不断发展，未来在健康监测、医疗诊断以及个性化温控系统等领域，这一创新材料有望发挥重要作用。

英国拉夫堡大学刘艺团队《AFM》发表突破性研究：从绿色材料到柔性超灵敏智能温控——月桂酸多功能传感器的创新之路

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