课题组研制出促进汗液蒸发的表皮电极

2020-04-20

       表皮电极是一种可贴合在人体皮肤表面的电极,由于其与人体皮肤有良好的相容性,且可收集人体的运动、生理信号,因此在柔性电子、智能可穿戴设备、健康监测等领域有着巨大的应用前景。传统的表皮电子器件通常包含一层或多层连续膜(如硅橡胶或防水塑料薄膜),此类材料基本不透气,在长期穿戴时阻碍皮肤表皮汗液的蒸发,导致器件界面分层、皮肤兼容性差等问题,影响器件的使用效果。一些新型的电子皮肤虽具有一定的透气性,但与人体皮肤相比,透气、透水性仍然不足。这使得在炎热天气或剧烈运动条件下表皮电子器件的使用受到限制。因此,开发具有高透气性、能促进汗液蒸发从而提升使用舒适性的表皮电子材料和相关电子皮肤器件具有重要意义。

       近日,南方科技大学材料科学与工程系郭传飞副教授课题组通过晶界光刻技术制备了厚度仅为30 nm的无衬底的金纳米网络,它表现出高可拉伸性和对人体皮肤纹理的完全贴合性。团队发现,在AuNM表面引入1-硫代甘油的单分子层后,被金纳米网络覆盖的皮肤表现出明显改善的亲水性,汗滴几乎能够完全润湿皮肤。与裸露的皮肤相比,汗液蒸发速率达到原先的3.6倍。与此同时,金纳米网络仍能保持它原有的高透明度、高拉伸性,良好的导电性和出色的皮肤贴合性。

图1 亲水处理的金纳米网络覆盖皮肤区域与裸露的皮肤的汗液蒸发速度对比

       AuNM可直接贴附于人体皮肤上用作监测运动的应变传感器。该传感器能够稳定地感知身体的运动、检测皮肤的应变水平以及关节弯曲的方向。这些传感信号还能通过无线蓝牙的方式输出,真正实现便携式器件对皮肤形变、身体运动的监测功能。

图2. 金纳米网络作为的应变传感器监测关节运动和皮肤形变

       这种表皮电极的传感原理在于金纳米网络在拉伸过程中的非局域断裂和纳米线快速冷焊接引起的电阻变化。利用这种快速冷焊接的方式,课题组还将新的金纳米网络贴片直接附着到受损区域来修复受损的金纳米网络,从而实现传感器件的快速修复。此外,金纳米网络的高透气性和导电性使它在表皮信号收集和热灸治疗中也有实际应用的潜力。这种采用表面亲水处理用于增强表皮电极的透气透水性的方法也可以扩展到其他电子皮肤材料上,成为柔性电子器件增强性能的通用方法。

图3. 金纳米网络的冷焊接修复原理与器件性能恢复实验

       本论文的第一作者是南方科技大学郭传飞课题组博士生王燕和研究助理洪天增,通讯作者为研究助理教授张建明博士和郭传飞副教授。该工作目前在线发表于材料领域著名期刊Materials Today Physics上。本研究得到了国家自然科学基金、深圳市基础研究学科布局和广东省“珠江人才计划”创新创业团队等项目的支持。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529320300158