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  柔性電子是將電子器件構(gòu)筑在柔性基底上形成電路的技術(shù)，在傳感、顯示、儲(chǔ)能、醫(yī)療電子、機(jī)器人、人機(jī)交互等方面有重要應(yīng)用前景。基于基底的柔性，電子器件可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硅基電子所不能實(shí)現(xiàn)的功能，如彎曲、折疊、扭曲、壓縮、拉伸甚至變形成任意形狀而不影響電子器件本身的光電性能。“柔性基底+電子器件”的方式可以賦予電子器件一定的承受機(jī)械形變的能力，但是電子器件本身通常具有硬而剛的特點(diǎn)，并不能實(shí)現(xiàn)完全的柔性且其集成度也會(huì)受限。因此，從材料角度出發(fā)，發(fā)展高性能柔性電子材料是實(shí)現(xiàn)電子器件柔性化、智能化、高度集成化的基礎(chǔ)。

  近年來，周宏偉教授課題組圍繞導(dǎo)電凝膠材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)控，性能改善及其在柔性電子器件中的應(yīng)用開展了系列基礎(chǔ)研究。基于二元協(xié)同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)筑出高拉伸和導(dǎo)電性的凝膠（ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 14045-14054；Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 9200-9207）；通過在高分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入離子液體，構(gòu)筑了超長拉伸且耐溫的離子液體凝膠（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 26412-26420）；基于全物理交聯(lián)作用，構(gòu)筑了兼具可回收、發(fā)光和導(dǎo)電性的多功能凝膠（Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 13316-13324）；通過引入功能性組分，構(gòu)筑了具有自愈合、粘附性和導(dǎo)電性的凝膠（Colloids and Surfaces A, 2020, 592, 124587; Macromolecular Materials & Engineering, 2020, 305, 1900621; Macromolecular Materials & Engineering, 2020, 305, 2000080）。以導(dǎo)電凝膠為核心功能材料，構(gòu)筑了應(yīng)變傳感器、壓力傳感器和智能溫度警報(bào)裝置，探索了傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用。

  基于上述研究基礎(chǔ)，周宏偉教授課題組于近日?qǐng)?bào)道了一種強(qiáng)度可控，具有應(yīng)變敏感性、壓阻特性及可再加工性的中空導(dǎo)電高分子微球復(fù)合凝膠，探索了該凝膠在電阻式應(yīng)變傳感器、電容式壓力傳感器、壓阻式應(yīng)力傳感器及傳感陣列中的應(yīng)用。該凝膠由聚乙烯醇（PVA）、中空聚苯胺微球（HPS）、植酸（PA）和水組成，很好的結(jié)合了PVA組分的柔性、中空微球的彈性以及摻雜聚苯胺的導(dǎo)電性。該凝膠通過澆筑成膜—干燥—再吸水的工藝制備，溶劑揮發(fā)過程誘導(dǎo)高分子鏈間以及高分子鏈和HPS間形成物理交聯(lián)作用，再吸水過程賦予復(fù)合薄膜良好的機(jī)械柔韌性。由于凝膠網(wǎng)絡(luò)中沒有引入化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)，該凝膠可以實(shí)現(xiàn)很好的再加工性和重復(fù)利用性，其預(yù)凝膠溶液可以作為導(dǎo)電油墨實(shí)現(xiàn)各種圖案的加工。

  研究結(jié)果顯示，該復(fù)合凝膠可以實(shí)現(xiàn)高拉伸強(qiáng)度（9.3 MPa）、高伸長率（493%）和韌性（2.6 MJ/m³）。采用該凝膠構(gòu)筑的電阻式應(yīng)變傳感器在0%~300%應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度為2.9，在300%–450%應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度可達(dá)7.4。以該材料為電極，構(gòu)筑的三明治式電容式壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)3.6 kPa^?1的高靈敏度。此外，基于該凝膠材料的壓阻效應(yīng)，成功構(gòu)筑了壓阻式應(yīng)力傳感器及其傳感陣列。這些凝膠基傳感器可以實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)、生理活動(dòng)以及生活中微小的彎曲/振動(dòng)形變的監(jiān)測。這一工作不僅有助于深入理解復(fù)合材料的增強(qiáng)、增韌機(jī)制，而且為柔性電子器件的構(gòu)筑提供了一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的候選材料。相關(guān)制備技術(shù)已申請(qǐng)國家發(fā)明專利。

圖1. 中空微球復(fù)合凝膠制備過程示意圖。

圖2. 中空微球復(fù)合凝膠電阻式應(yīng)變傳感器用于形變監(jiān)測。（a）指關(guān)節(jié)彎曲；（b）吞咽；（c）脈搏；（d）直尺彎曲；（e, f）敲擊引起的振動(dòng)。

圖3. 中空微球復(fù)合凝膠電容式壓力傳感器。（a）示意圖；（b）壓力響應(yīng)；（c）手指按壓；（d）毛筆按壓。

圖4. 中空微球復(fù)合凝膠壓阻式應(yīng)力傳感器。（a）壓阻響應(yīng)；（b）傳感陣列中壓力信號(hào)可視化；（c）3×3傳感陣列照片。

  相關(guān)研究工作以“Robust and sensitive pressure/strain sensors from solution processable composite hydrogels enhanced by hollow-structured conducting polymers”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。西安工業(yè)大學(xué)為該論文第一完成單位，西安工業(yè)大學(xué)周宏偉教授為第一作者兼通訊作者，陜西科技大學(xué)馬毅超副教授、哈佛大學(xué)張興才博士為該論文的共同通訊作者。

  此研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（No. 51603164），陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃面上項(xiàng)目（No. 2019JM-124），陜西省教育廳重點(diǎn)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（No. 20JS062）、陜西省青年人才托舉計(jì)劃項(xiàng)目（No. 20170706）和陜西省普通高校青年杰出人才計(jì)劃的支持。

  論文信息：Hongwei Zhou, Zhiwen Wang, Weifeng Zhao, Ximan Tong, Xilang Jin, Xingcai Zhang, You Yu, Hanbin Liu, Yichao Ma, Shushu Li, Weixing Chen, Robust and sensitive pressure/strain sensors from solution processable composite hydrogels enhanced by hollow-structured conducting polymers, Chemical Engineering Journal, 2021, 403, 126307.

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720324359