南京郵電大學(xué)研制出超薄柔性導(dǎo)電薄膜，可用于穿戴設(shè)備、醫(yī)用電子設(shè)備

戴上一枚護(hù)腕般大小的袖套，只需滑動(dòng)一根手指，就可以隔空玩起俄羅斯方塊。近日，南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬延文教授團(tuán)隊(duì)與北卡羅萊納州立大學(xué)研究者們研發(fā)出一款具有透氣性的超薄、可拉伸多孔電極制備的表皮電子器件，在國(guó)內(nèi)外引起廣泛關(guān)注。

隨著科技的進(jìn)步，大眾在追求性能的同時(shí)，對(duì)于電子產(chǎn)品的體驗(yàn)、舒適感的需求日益增加。用于監(jiān)測(cè)心率的運(yùn)動(dòng)電子手環(huán)，玩虛擬現(xiàn)實(shí)游戲時(shí)佩戴的眼鏡，逐漸走進(jìn)大眾視野的智能手表……為了讓這些與人類“親密接觸”的電子產(chǎn)品佩戴時(shí)更為舒適，同時(shí)功能不受汗水影響，團(tuán)隊(duì)決定從超薄透氣導(dǎo)電薄膜的研制入手。

對(duì)超薄透氣導(dǎo)電薄膜的開發(fā)而言，首先要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是制備可拉伸透氣基底薄膜，二是實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)電性?！拔覀冎苽涞倪@種超薄透氣性柔性電子器件，其核心創(chuàng)新之處在于將呼吸圖法這種廉價(jià)、快速、易于大面積制備的方法引入了透氣性表皮電子器件的制備中?！瘪R延文告訴《科技周刊》記者，呼吸圖法源于自然現(xiàn)象，即空氣中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)在冷的表面上，例如冬天凝結(jié)在窗玻璃上的霧氣就是一種呼吸圖?？蒲泄ぷ髡邆兘?jīng)過多年研究，摸索出了一套控制水滴凝結(jié)過程的條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)呼吸圖結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制。

研究團(tuán)隊(duì)成員周偉欣博士解釋，為了制備可拉伸透氣基底薄膜，研究人員將少量配置好的實(shí)驗(yàn)溶液均勻涂覆在玻璃基板并立即放入高濕度環(huán)境中。溶液蒸發(fā)帶走熱量，使玻璃襯底降溫，進(jìn)而導(dǎo)致水蒸氣冷凝在玻璃襯底上。這些冷凝后的水滴占據(jù)了襯底表面的空間，因此在有機(jī)溶劑完全蒸發(fā)后，就在玻璃襯底表面上留下了多孔結(jié)構(gòu)的薄膜?！拔覀?cè)诳讖胶涂捉Y(jié)構(gòu)均一性上進(jìn)行了平衡。在孔徑達(dá)到40 微米時(shí)，薄膜的孔結(jié)構(gòu)都是洞穿的?！?

呼吸圖法成功制備出了可拉伸透氣基底薄膜，那么如何能使它具有良好的導(dǎo)電性?為此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)把薄膜在導(dǎo)電性能出色的銀納米線溶液中反復(fù)浸泡、烘干多次，以在薄膜上均勻覆蓋銀納米線導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。“15~20微米的銀納米線附著在多孔聚氨酯薄膜的骨架上，將薄膜兩面聯(lián)通，從而實(shí)現(xiàn)雙面導(dǎo)電的特性。通過加熱加壓處理，銀納米線與薄膜的結(jié)合更緊密，其電學(xué)穩(wěn)定性也大大增強(qiáng)?！瘪R延文說。

那么，攻破了兩大難題所制備出的超薄透氣導(dǎo)電薄膜，是否真的可以在表皮電子器件透氣性、自支撐等方面實(shí)現(xiàn)突破?為了證明這種材料良好的皮膚相容性，團(tuán)隊(duì)成員將電極材料貼敷在皮膚上一周，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：佩戴期間皮膚絲毫沒有受到刺激，且材料仍可以正常導(dǎo)電?！斑@種材料還可以作為觸摸電極，與藍(lán)牙控制器一起集成在織物上，制作成具有無線操控功能的袖套，與電腦建立通訊后，能夠?qū)崿F(xiàn)鍵盤部分功能的操控。”馬延文表示，佩戴袖套玩俄羅斯方塊的游戲時(shí)，玩家觸摸袖套上的方向鍵，電腦上的磚塊迅速改變方向，且沒有人體能感知的遲鈍，靈敏度非常高。

除了穿戴式游戲設(shè)備，柔性導(dǎo)電薄膜還有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。馬延文認(rèn)為：“目前，我們?cè)谡撐闹幸呀?jīng)展示了這種材料在長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)生物電信號(hào)(心電圖等)和人機(jī)接口(自電容式觸摸傳感器)中的應(yīng)用。在推廣應(yīng)用方面，除了我們團(tuán)隊(duì)自己進(jìn)行材料放大和應(yīng)用探索外，也非常愿意和相關(guān)企業(yè)合作，尤其可以在材料研制方面給予技術(shù)指導(dǎo)?！?