济大赵松方/山大李阳/福大赖跃坤等AFM：基于双导电路径和先进封装的多功能导电纱线用于可穿戴电子器件

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-19 07:50

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随着我们进入物联网时代，可穿戴电子设备在健康监测、人工智能（AI）和人机交互方面受到广泛关注。作为可穿戴设备获取外部信息的核心部件，构建和开发具有高性能柔性传感器非常重要。纤维基压阻材料可以相互交织实现个性化定制，并通过粘合和缝合等简易技术贴附在人体上。此外，它们可以与其他纤维编织或用布编织无缝集成到织物中，从而创造出具有独特优势的可穿戴设备，为高性能传感的发展提供了一种理想的解决方案。尽管通过制造和材料方面的突破取得了一些有前景的纤维传感材料，但开发具有高性能传感能力和多种功能的纤维传感物质（可自愈、可自粘合和形状记忆能力）仍然极具挑战。合理选择先进工艺和材料对制备高质量纤维传感材料至关重要。

近期，济南大学赵松方/曹笃霞教授团队、山东大学李阳/李国强教授团队、福州大学赖跃坤教授团队联合延世大学Jong-Hyun Ahn院士团队受贻贝启发奇妙借助双电子转移路径和双封装技术制备可拉伸、灵敏、可自愈/自粘合导电纱线。得益于这些合理的设计，复合纱线具有较大的传感范围（158%应变）、高灵敏度（22.88）、低检测限（0.0345%）、快速响应/恢复时间（105/150ms）和出色的鲁棒性（在20%应变下可承受10000次循环）。此外，压力传感器和传感阵列可通过自粘合功能将导电纱线垂直堆叠组装而成，通过形状记忆效应制造出可自愈螺旋结构的导体。这一概念为构建多功能、高性能的可穿戴电子纺织品提供参考。相关工作以“Mussel-inspired Highly Sensitive, Stretchable, and Self-healable Yarns Enabled by Dual Conductive Pathways and Encapsulation for Wearable Electronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

包覆的氨纶纱线提供必要的拉伸性和吸附能力，而超分子聚多巴胺（PDA）层提供增强的界面相互作用。还原氧化石墨烯纳米片和基于银纳米粒子的传感层提供双电子转移途径。具有自愈/自粘合能力的聚氨酯双重封装不仅可以减轻裂纹扩展，还可以保护内部导电材料免受脱落。借助这些新颖设计，所制备的多功能纱线可用于生理运动检测、手势识别和电路连接等应用领域（图1）。

图1 多功能纱线的制备和结构表征

为验证上述新颖设计结构在在可穿戴传感器中的卓越优势，研究者系统地探索应变传感性能（图2）。石墨烯纳米片和银纳米颗粒引入双导电途径的协同作用大大增强传感性能。封装层可以减轻双导电网络内裂纹的产生和传播，特别是在银纳米颗粒基传感层中。封装层在灵敏度略有降低的情况下增强传感范围和稳定性（图2）。

图2 多功能纱线的机电性能

得益于双导电路径和封装技术带来的优异传感性能和功能性，所制备多功能纱线可方便组装为应变传感器和压力传感器，用于检测全方位的人体生理活动和人机交互领域（图3和图4）。

图3 多功能纱线用于人体生理信号检测

图4 多功能纱线用于人机交互领域

济南大学赵松方教授团队聚焦于功能聚合物材料、智能传感及表皮电极设计等方向，在Materials Science and Engineering r：Reports、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、SmartMat、Small、Chemical Engineering Journal等期刊发表同行会议论文70余篇，主持国家级项目（面上/国际合作交流/青年/国家引智）4项，参与国家自然科学基金项目、省部级等项目近10项。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412461

来源：高分子科学前沿

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