用于實時監(jiān)測人體關(guān)節(jié)運動及脈搏等生理信號的可穿戴柔性器件引起科研工作者的廣泛興趣。因電子器件在潮濕環(huán)境中電路易被破壞，在水下環(huán)境中對人體運動實現(xiàn)長期監(jiān)測仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，除了柔性器件本身的應(yīng)變范圍、靈敏性及循環(huán)穩(wěn)定性，功能性改性涂層對織物本身服用性能也需考慮。
最近，賴躍坤教授團隊報道了一種基于超疏透氣針織物基智能溺水報警系統(tǒng)。所制備的樣品展現(xiàn)出較好的超疏水穩(wěn)定性，通過藍牙連接到手機，可實現(xiàn)水下運動的遠程監(jiān)控。該工作以”A Breathable Knitted Fabric-Based Smart System with Enhanced Superhydrophobicity for Drowning Alarming”為題發(fā)表在《ACS Nano》上，文章第一作者是福州大學(xué)石油化工學(xué)院博士后朱天雪（現(xiàn)單位清源創(chuàng)新實驗室），福州大學(xué)石油化工學(xué)院博士生倪藝萌與韓國延世大學(xué)博士生趙凱瑩為共同第一作者。通訊作者為福州大學(xué)賴躍坤教授，黃劍瑩教授和延世大學(xué)Cheolmin Park教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金(51972063、22075046、21501127、51502185)、福建省杰出青年基金(2020J06038)、福建省自然科學(xué)基金(2022J01568、2019J01256)以及蘇州大學(xué)紡織行業(yè)智能服裝柔性器件重點實驗室開放課題(NO. SDHY2110)、省部共建紡織新材料與先進加工技術(shù)國家重點實驗室開放課題(FZ2021012)等項目的資助。該工作被Materials Today期刊及ACS Discover Chemistry, EurekAlert!, ScienceBlog, TrendRadars UK, Engineering Industry News, TechXplore等國際知名科學(xué)媒體報道和轉(zhuǎn)載報導(dǎo)，Altmetric Score為112。
結(jié)合針織物結(jié)構(gòu)本身的彈性，該工作選擇以針織物為基底，通過浸涂GO及HI還原的方法賦予織物良好的導(dǎo)電性能；分別通過超聲震動法及熱煅燒法制備PDMS微納米顆粒分散液，浸涂到導(dǎo)電織物表面，賦予其超疏水性能，使其可應(yīng)用于水下環(huán)境中。此外，超疏水涂層可以提高rGO層與織物基底的結(jié)合力，保證其循環(huán)拉伸過程中的穩(wěn)定性。
圖1. 超疏水導(dǎo)電織物制備流程圖
傳感器本身的物理性能在應(yīng)用過程中扮演著重要角色，分析其對應(yīng)的疏水性能，導(dǎo)電性及透氣性。樣品拉伸至其初始長度兩倍后接觸角為151°，彎曲到80°接觸角幾乎沒有變化，證明其在形變狀態(tài)下穩(wěn)定的超疏水性能（圖2a, b）。經(jīng)300次摩擦及20次加速水洗（等同于100次常規(guī)水洗）后，由于功能性涂層的脫落，接觸角分別從155°降為147.3°，156.7°降至149°；對應(yīng)的電阻分別增加16.3%與8.7%（圖2c, d）。對樣品的透氣性進行定性定量分析，氨氣透過織物使pH試紙變色，經(jīng)過兩步涂層處理，透氣性大概下降17%（圖2e-g）。
圖2. 樣品拉伸、彎曲狀態(tài)下接觸角，摩擦及加速水洗穩(wěn)定性，透氣性
考慮到樣品超疏水性能及導(dǎo)電性的穩(wěn)定性，對包括水下微小震動及人體運動在內(nèi)的多種情況響應(yīng)性能進行測試。當(dāng)超聲功率從60 W逐漸增大到300 W，水震動幅度增加，引起傳感器相對電阻變化從4%增大到8%，該傳感器可對水震動持續(xù)響應(yīng)（圖3a, b）。當(dāng)手指在水下彎曲不同的角度(30°, 60°, 90°)，相對電阻變化表現(xiàn)出明顯的梯度變化（圖3d）。此外，該傳感器能識別不同高度水滴的沖擊，水滴的pH值對響應(yīng)性能不會產(chǎn)生影響（圖3e, f）。
圖3. 樣品傳感性能展示
為進一步探究該傳感器的實際應(yīng)用性能，織物基傳感器通過自制的無線藍牙裝置連接到智能手機監(jiān)測溺水情況并發(fā)出警報（圖4a）。當(dāng)模擬小人處于游泳狀態(tài)，腿部規(guī)律性彎曲，傳感器電阻呈現(xiàn)規(guī)律性變化；當(dāng)小人發(fā)生溺水情況，腿部不再彎曲運動，電阻變化曲線為一根直線，此時該智能系統(tǒng)可發(fā)出警報（圖4b, c）。
圖4. 傳感器通過藍牙連接到手機及模擬人游泳的遠程監(jiān)控及溺水警報
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08325
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