應(yīng)變傳感器的研究開發(fā)促進了人工智能、表皮微電子機械系統(tǒng)、可植入生物傳感器和生物診斷等領(lǐng)域的發(fā)展。為了進一步促進應(yīng)變傳感器的實際應(yīng)用，考慮其在使用過程中的穩(wěn)定性尤為重要。尤其在一些惡劣環(huán)境，如水、微生物、酸性、堿性等條件下可能導(dǎo)致器件導(dǎo)電性和電子傳感不穩(wěn)定，從而影響應(yīng)變傳感器性能，縮短其使用壽命。例如，微生物水環(huán)境中的細菌會附著在傳感器表面，腐蝕導(dǎo)電層，從而干擾傳導(dǎo)通路。水可以滲透到傳導(dǎo)通路，干擾傳感性能。為了避免液體環(huán)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(gòu)筑是一個很好的策略。由于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(dǎo)電層中。但以往報道的超疏水傳感器主要集中在設(shè)計應(yīng)變傳感器的超疏水功能，而如何設(shè)計抗液體干擾的應(yīng)變傳感器以及抗液體干擾的機理研究等方面，至今未見報道。
近日，廣州大學(xué)林璟副教授、北京師范大學(xué)劉楠教授以及美國田納西大學(xué)郭占虎副教授合作提出了一種制備抗液體干擾以及細菌粘附的柔性應(yīng)變傳感器的新策略。作者通過構(gòu)筑具有獨特的含氟微/納米多級結(jié)構(gòu)的F/Ag/MWCNG/G-PDMS（FAMG）應(yīng)變傳感器，使液體在傳感器表面處于Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)，表現(xiàn)出超疏水性及自清潔功能。該傳感器在應(yīng)變傳感測試中表現(xiàn)出超穩(wěn)定的抗液體干擾性，同時具有靈敏度高，應(yīng)變范圍寬，響應(yīng)時間快等優(yōu)點。作者還深入探討了Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)在應(yīng)變傳感中抗液體干擾的作用以及應(yīng)變傳感器靈敏度高、應(yīng)變范圍寬的原因。此外，傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性和水下疏油性，使其具有較好的抗液體干擾以及抗細菌粘附性能。最后，將該傳感器應(yīng)用于電子鷹在戶外和人工降雨時的翅膀運動監(jiān)測以及復(fù)雜環(huán)境下人體運動監(jiān)測，表明其在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的潛在應(yīng)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(fā)表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020,2000398)上。
【圖文解析】
作者首先制備了常規(guī)的MWCNT/G-PDMS應(yīng)變傳感器，并探究不同液滴滴入器件表面對傳感器電阻的影響。結(jié)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(yīng)變傳感器表面具有一定疏水性，但此情況下，應(yīng)變傳感器上的液滴可以認為處于Wenzel潤濕狀態(tài)，液滴與應(yīng)變傳感器的導(dǎo)電層之間存在較大的接觸面積。并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。于是，作者基于MWCNT/G-PDMS，通過構(gòu)建含氟及銀納米顆粒的微/納米多級結(jié)構(gòu)（F/Ag/MWCNG/G-PDMS (FAMG)），設(shè)計了FAMG應(yīng)變傳感器，使得液滴在傳感器表面呈Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)。在這種情況下，液滴漂浮在能夠防止液滴與導(dǎo)電層接觸的空氣層上，不會有液體滲透到導(dǎo)電膜中影響電阻，從而實現(xiàn)對液體干擾的抵抗。同時，利用APTES作為導(dǎo)電層與襯底之間、相鄰導(dǎo)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(yīng)變傳感器獲得超高靈敏度以及較寬的應(yīng)變范圍。
FAMG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感及抗液體干擾性能如圖2所示。作者通過在傳感器表面滴入不同的液滴，考察了其抗液體干擾性。結(jié)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干擾性能。同時，此結(jié)構(gòu)中粘結(jié)層的構(gòu)筑也使得傳感器具有超高的靈敏度（GF=2059, 160%-180%應(yīng)變）以及超快的響應(yīng)時間（150 ms）。通過循環(huán)測試發(fā)現(xiàn)，傳感器表現(xiàn)出較高的重復(fù)性以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性，使得其在實際應(yīng)用中具有極大的應(yīng)用潛力。
為了進一步闡明傳感器在應(yīng)變傳感過程中防液體干擾的機理，作者通過建立應(yīng)變傳感模型以及相應(yīng)掃描電鏡結(jié)果進行分析。傳感器結(jié)構(gòu)模型如圖3a所示，包括和基底表面由于硅氧烷和羥基作用緊密結(jié)合APTES底層， APTES層與相鄰的MWCNT/G緊密結(jié)合形成的中間層(APTES/MWCNT/G)，無粘結(jié)的MWCNT/G核心層以及 F/Ag/MWCNT/G多級結(jié)構(gòu)外層覆蓋層。當沒有施加應(yīng)變時，傳感器表面呈現(xiàn)一個沒有裂紋的褶皺表面。由于氟碳鏈的低表面能與Ag/MWCNT/G微/納米結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，可以看到褶皺縫隙中填充了一層空氣層，此時FAMG應(yīng)變傳感器處于超疏水的Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)，液滴懸浮在空氣層中，阻礙了液滴與導(dǎo)電層的接觸，使液體無法滲透到導(dǎo)電層中。將FAMG應(yīng)變傳感器拉伸至60%時，傳感器表面出現(xiàn)微裂紋，但由于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(dǎo)電通路保持連接。當FAMG傳感器應(yīng)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)由于拉伸過程中牽引力的增加而發(fā)生滑移，使得粘結(jié)重疊的石墨烯分離導(dǎo)致裂紋快速擴展，從而電阻迅速增加。由于FAMG應(yīng)變傳感器表面始終保持Cassie?Baxter潤濕狀態(tài)，盡管施加了很大的壓力，但液體并沒有干擾傳感器。因此， FAMG應(yīng)變傳感器的電阻變化是由裂紋數(shù)量和裂紋面積的增加所主導(dǎo)的。而傳感器抗液體干擾性能則與超疏水的Cassie -Baxter潤濕狀態(tài)密切相關(guān)。
為了展示FAMG應(yīng)變傳感器在柔性可穿戴電子設(shè)備中的潛在應(yīng)用，作者將其用于電子鷹在戶外和人工降雨時的翅膀運動監(jiān)測以及復(fù)雜環(huán)境下人體運動監(jiān)測（圖4）。結(jié)果顯示，當用于電子鷹在戶外和人工降雨時的翅膀運動監(jiān)測時，傳感器顯示穩(wěn)定的電阻變化，表明其性能穩(wěn)定。而通過在細菌液滴入情況下檢測人體常規(guī)運動，結(jié)果顯示，傳感器具有較好的抗液體干擾以及細菌粘附性能，使得其應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中對細微和劇烈運動的實時傳感具有較大的應(yīng)用潛力。
綜上所述，本文提出了一種制備耐液體干擾和細菌粘附的柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的新策略，并證實了其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用潛力。該傳感器不受多種液體的干擾并且具有極高的靈敏度以及穩(wěn)定性。同時，傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性和水下疏油性，對防止液體和細菌粘附對應(yīng)變傳感的干擾具有重要作用。其作為可穿戴電子設(shè)備成功應(yīng)用于人工降雨和細菌飛沫中人類和電子鳥的一系列運動監(jiān)測。因此，這種抗液體干擾和細菌粘附的策略為設(shè)計適用于復(fù)雜環(huán)境的柔性、可穿戴式應(yīng)變傳感器提供了一條新途徑。
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