鄭州大學(xué)毛彥超教授課題組ACS Nano：基于Kirigami液態(tài)金屬紙電極的多功能電子皮膚
2022-03-25 來源：高分子科技
液態(tài)金屬作為電子皮膚的一種重要的電極材料，受到了廣泛關(guān)注。目前一種制作液態(tài)金屬電極的傳統(tǒng)方法是使用彈性體進(jìn)行封裝，然而封裝型液態(tài)金屬電極在拉伸時(shí)容易產(chǎn)生泄漏，而且其液態(tài)金屬層不能與皮膚直接接觸，從而降低了其用于監(jiān)測(cè)人體電生理信號(hào)的質(zhì)量。另一種傳統(tǒng)的方法是將液態(tài)金屬分散在適當(dāng)?shù)娜軇┲，然后將其印刷在某種基底的表面。然而，印刷型液態(tài)金屬電極難以進(jìn)行轉(zhuǎn)移和回收，而且在拉伸時(shí)容易發(fā)生斷裂，從而降低電極的導(dǎo)電性。因此，亟需發(fā)展一種具有良好的拉伸性、自支撐、導(dǎo)體暴露的液態(tài)金屬電極。
鄭州大學(xué)毛彥超教授課題組利用Kirigami剪紙方法發(fā)展了一種Kirigami液態(tài)金屬紙電極，這種液態(tài)金屬電極兼顧了自支撐、導(dǎo)體暴露、可拉伸、超薄、可回收的優(yōu)點(diǎn)，利用這些優(yōu)點(diǎn)作者將其作為電子皮膚應(yīng)用于人體生理電監(jiān)測(cè)和智能人機(jī)交互當(dāng)中；贙irigami液態(tài)金屬紙電極的電子皮膚有希望在健康監(jiān)測(cè)、智能控制，以及智能機(jī)器人、可穿戴電子、皮膚集成電子等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用。該研究以“A Self-Supporting, Conductor-Exposing, Stretchable, Ultrathin, and Recyclable Kirigami-Structured Liquid Metal Paper for Multifunctional E-Skin” 為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《ACS Nano》。
制備了復(fù)合液態(tài)金屬紙電極，可以通過擦除液態(tài)金屬的包裹層形成導(dǎo)電路徑，以構(gòu)建簡單或復(fù)雜的導(dǎo)電電路。利用kirigami剪紙方法制備了三種不同類型的液態(tài)金屬紙電極，包括單軸、雙軸和方形螺旋結(jié)構(gòu)。
分別對(duì)三種不同類型的剪紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)理論分析。并以單軸結(jié)構(gòu)的電極為代表進(jìn)行了應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，通過利用有限元法對(duì)單軸結(jié)構(gòu)電極應(yīng)變過程中的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。
電極在拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲三種類型的形變下均保持著良好的電學(xué)穩(wěn)定性。通過與其他17篇文獻(xiàn)進(jìn)行比較，直觀地展示了kirigami液態(tài)金屬紙電極兼顧了自支撐、導(dǎo)體暴露、超薄、可拉伸和可回收的優(yōu)點(diǎn)。
基于該電極的電子皮膚用于采集高質(zhì)量的人體電生理信號(hào)。將雙軸結(jié)構(gòu)的電極貼在受試者前額進(jìn)行腦電信號(hào)采集，受試者在不同的狀態(tài)下的腦電信號(hào)表現(xiàn)出明顯的差異。
利用該電極的傳感性質(zhì)，進(jìn)一步開發(fā)了一個(gè)基于電子皮膚的智能撥號(hào)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用這種電子皮膚給手機(jī)撥打電話的功能。該結(jié)果表明這種基于kirigami液態(tài)金屬紙電極的電子皮膚在智能控制系統(tǒng)中的具有較好的應(yīng)用前景。 鄭州大學(xué)物理學(xué)院（微電子學(xué)院）碩士生李星、副研究員朱鵬程為論文的共同第一作者，毛彥超教授為論文的通訊作者。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11096?ref=pdf
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