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  可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器逐步被投入至日常消費(fèi)產(chǎn)品、醫(yī)療健康、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域，未來可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器將更具挑戰(zhàn)性和發(fā)展前景，將不斷與電子醫(yī)療、人工智能、生物芯片、大健康、云數(shù)據(jù)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行融合創(chuàng)新，其需要攻關(guān)的技術(shù)難題不僅僅在于柔性器件本身的超靈敏、寬應(yīng)變傳感范圍等傳感性能的升級(jí)突破，為實(shí)現(xiàn)其多領(lǐng)域的技術(shù)融合和應(yīng)用，可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器需要在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下抗液體干擾而穩(wěn)定傳感運(yùn)行是亟待解決的一個(gè)重要科學(xué)難題。因?yàn)閺?fù)雜的環(huán)境(如水、酸、堿、鹽、微生物等)會(huì)干擾柔性應(yīng)變傳感器，導(dǎo)致其電導(dǎo)率等電學(xué)性能的不穩(wěn)定，從而影響柔性應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性和縮短其使用壽命。例如：細(xì)菌若黏附在傳感器表面將產(chǎn)生微生物腐蝕破壞導(dǎo)電層，水分子或其它分子若滲入導(dǎo)電層中不僅影響其電學(xué)性能且產(chǎn)生污損。避免液體干擾的傳統(tǒng)技術(shù)是利用聚合物封裝傳感器，但其存在傳感性能下降和封裝工藝復(fù)雜等不足。為此，提出不封裝直接在可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器表面構(gòu)筑Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)實(shí)現(xiàn)抗液滴傳感干擾的科學(xué)假說，并揭示其內(nèi)在機(jī)制，具有重要的研究意義。

  廣州大學(xué)林璟副教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：基于Wenzel表面潤(rùn)濕狀態(tài)的MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器在傳感過程中極易受外在液體的干擾，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Wenzel表面潤(rùn)濕狀態(tài)下液體干擾模型分析，得知其液體會(huì)發(fā)生內(nèi)滲現(xiàn)象，導(dǎo)電通路發(fā)生變化，電阻減小，拉伸傳感靈敏度下降，拉伸范圍受限等不良干擾結(jié)果。通過表面潤(rùn)濕理論分析其原因，是因?yàn)閃enzel潤(rùn)濕狀態(tài)下的柔性傳感器不具備超疏水、水下疏油、自清潔、防污等性能，易黏附水性或油性的水或油滴，同時(shí)也容易黏附細(xì)菌，導(dǎo)致其電學(xué)性能易受各類液體的干擾性影響。

  廣州大學(xué)林璟副教授研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)未封裝應(yīng)變傳感器在拉伸傳感過程中易受外在液體干擾的科學(xué)難題，首次提出了一種基于Cassie-Baxter表面構(gòu)筑技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器抗液體干擾和抗細(xì)菌黏附的策略(圖1)，從微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面潤(rùn)濕理論、傳感機(jī)制等方面闡明了其獲得抗液體干擾和抗細(xì)菌黏附的關(guān)鍵技術(shù)理論。

圖1 基于Cassie-Baxter表面構(gòu)筑技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感器抗液體干擾和抗細(xì)菌黏附的策略

  其技術(shù)創(chuàng)新在于傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征為類三明治夾心結(jié)構(gòu)，底層為超彈性聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底，中間層為L(zhǎng)BL式碳納米管/石墨烯(MWCNT/G)導(dǎo)電傳感層和(氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)鍵合層，外層為修飾的納米銀粒子和氟化層。圖2所示，F(xiàn)/Ag/MWCNT/G-PDMS(FAMG)傳感器多級(jí)結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了由Wenzel至Cassie-Baxter的轉(zhuǎn)變,外在的表面液滴由于需要克服表面能壘難于滲入傳感器的內(nèi)部導(dǎo)電層，液滴被表面微納結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌的空氣層阻隔猶如“氣墊”將液滴懸浮于上空，呈現(xiàn)出大的超疏水接觸角(157°)、較小的滾動(dòng)角(4°)、較大的水下油接觸角(142°)、水下油黏附力(≈0μm)，對(duì)各類測(cè)試液滴(綠茶、紅茶、橙汁、可樂、牛奶、酸(pH = 1)、堿(pH = 10)、鹽(0.4 mol/L)、細(xì)菌液滴(10⁴ CFU/mL)都具有良好的抗黏附性和抗傳感干擾性，其表面具備超疏水、水下疏油、自清潔、防污、抗細(xì)菌黏附等性能，該可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器在1000次拉伸-回縮循環(huán)后，液體干擾情況下其靈敏度高達(dá)1989，并具有寬的拉伸傳感測(cè)試范圍(0.1-170%)、和快速響應(yīng)能力(響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間為150ms)，體現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能和穩(wěn)定的抗液體干擾性能。在人工降雨測(cè)試中，監(jiān)測(cè)電子鳥運(yùn)動(dòng)行為的FAMG可穿戴式柔性電子傳感器具有很強(qiáng)的抗液體干擾和抗細(xì)菌黏附性，并測(cè)試穿戴在人體各部位(脈搏、手腕、手指、膝蓋)的運(yùn)動(dòng)行為，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)人體活動(dòng)全方位精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，表明了該傳感器在復(fù)雜環(huán)境中具有良好的適應(yīng)性。

圖2 FAMG可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器抗液體傳感干擾和抗細(xì)菌黏附測(cè)試及其模型

  其理論創(chuàng)新在于提出了抗液體傳感干擾的設(shè)計(jì)策略和揭示了新型多級(jí)結(jié)構(gòu)的超靈敏寬范圍應(yīng)變傳感器的內(nèi)在傳感機(jī)制，通過圖3模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，揭示了MWCNT/G導(dǎo)電層的裂紋擴(kuò)展效應(yīng)和APTES/MWCNT/G中間隔離層的終端裂紋擴(kuò)展效應(yīng)是產(chǎn)生超靈敏的內(nèi)在機(jī)制，MWCNT的微橋效應(yīng)和APTES/MWCNT/G中間隔離層的滑移效應(yīng)是寬拉伸傳感應(yīng)用范圍的主要內(nèi)因，構(gòu)筑多級(jí)結(jié)構(gòu)的Cassie-Baxter表面潤(rùn)濕態(tài)是抗液體傳感干擾的關(guān)鍵技術(shù)理論基礎(chǔ)，超疏水和水下疏油潤(rùn)濕特性是抗細(xì)菌黏附的內(nèi)在機(jī)制。

圖3 FAMG可穿戴式柔性電子應(yīng)變傳感器抗液體傳感干擾模型

  相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上(Jing Lin, Xianfang Cai, Zili Liu, Nan Liu, Min Xie, BingPu Zhou, Huaquan Wang, Zhanhu Guo. Anti‐liquid‐Interfering and Bacterially Antiadhesive Strategy for Highly Stretchable and Ultrasensitive Strain Sensors Based on Cassie‐Baxter Wetting State, 2020, doi.org/10.1002/adfm.202000398)，廣州大學(xué)林璟(副教授)為該論文的第一作者和通訊作者；北京師范大學(xué)劉楠(教授)和The University of Tennessee ZhanHu Guo(副教授)為共同通訊作者；廣州大學(xué)蔡嫻芳(碩士)、劉自力(教授)和謝敏(碩士)，澳門大學(xué)周冰樸(副教授)和王華權(quán)(碩士)為參與作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202000398