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  2019年6月19日，東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點實驗室趙遠錦教授課題組基于共軸毛細管微流控紡絲技術(shù)制備出包裹離子液體的螺旋仿生微導(dǎo)線，進而能夠構(gòu)成柔性可拉伸導(dǎo)電系統(tǒng)。受植物螺旋藤蔓啟發(fā)，制備得到的包裹離子液體的螺旋微導(dǎo)線殼層為聚偏氟乙烯（PVDF），核層為具有導(dǎo)電性的離子液體，其螺旋形貌可通過調(diào)節(jié)流體流速實現(xiàn)調(diào)控，因而制備出的不同形貌的導(dǎo)線能夠表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電特性，并可進一步構(gòu)建具有不同導(dǎo)電性質(zhì)的柔性可拉伸系統(tǒng)，應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域。該項研究以題為“Microfluidic Generation of Microsprings with Ionic Liquid Encapsulation for Flexible Electronics”發(fā)表在Research上（Research, 2019, 6906275, DOI: 10.34133/2019/6906275）。

研究背景

  柔軟且可以拉伸的導(dǎo)線可以如人體中的血管網(wǎng)絡(luò)一般傳導(dǎo)電子，是軟體機器人、可穿戴設(shè)備、可變形設(shè)備等柔性電子系統(tǒng)中的重要組成部分。目前已有研究將金屬、半導(dǎo)體、碳材料、液體金屬、離子液體等做成導(dǎo)線材料與彈性較好的高分子材料相結(jié)合制備出柔性電子器件的例子。

軟體機器人（圖片來源 Advanced Materials）

  與傳統(tǒng)意義上較為堅硬的導(dǎo)電材料相比，可拉伸形變的導(dǎo)體在感知和傳導(dǎo)包括拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等機械形變時具有明顯的優(yōu)勢。在這之中，離子液體由于其不易揮發(fā)、低表面張力、相對較低的楊氏模量和良好的形變特性得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前離子液體的集成方法主要通過一系列的通道構(gòu)建、充填等步驟來實現(xiàn)，耗時耗力，并且無法實現(xiàn)尺寸較小的操作。同時，目前開發(fā)的離子液體柔性器件結(jié)構(gòu)較為簡單，在進一步構(gòu)建復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的柔性系統(tǒng)中的應(yīng)用有所限制。因此，本研究受自然界中的植物螺旋藤蔓啟發(fā)，基于共軸微流控紡絲技術(shù)開發(fā)出了包裹離子液體的螺旋纖維作為微導(dǎo)線應(yīng)用于柔性電子的導(dǎo)電研究中。

研究進展

  東南大學(xué)趙遠錦教授團隊受自然界中具有良好形變和拉伸性并且能夠?qū)崿F(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)運輸?shù)闹参锫菪俾麊l(fā)，首次將導(dǎo)電流體與微流控結(jié)合，使用共軸組裝的玻璃毛細管微流控裝置一步連續(xù)制備殼層為PVDF，內(nèi)部包裹有離子液體1-乙基-3-甲基四氟硼酸咪唑（EMIMBF4）的螺旋纖維。這種柔軟的微導(dǎo)線經(jīng)過進一步的排列可以包裹在柔性薄膜中，如皮膚般貼附在人體表面，可在不同部位不同幅度的運動中依然保持較為穩(wěn)定的導(dǎo)電性（圖1）。

圖1 用于構(gòu)建柔性導(dǎo)電薄膜的螺旋微導(dǎo)線制備示意

  在微流控制備過程中，由于PVDF的相轉(zhuǎn)化速度極快，纖維的殼層能夠迅速形成從而連續(xù)包裹內(nèi)部離子液體。在這個過程中，能夠首先制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的直線纖維。裝置運行過程中，隨著流體的速度與外部溶液差異增大，具有螺旋結(jié)構(gòu)的核殼纖維開始形成。通過調(diào)節(jié)流體流速，纖維的殼層厚度和螺距可以實現(xiàn)精確調(diào)控（圖2）。

圖2  導(dǎo)電纖維的微流控制備及表征

  制備得到的不同形貌的導(dǎo)電纖維其基本電學(xué)特性與電阻公式相符，即纖維的電阻與長度呈正比與橫截面積呈反比。值得注意的是，在拉伸情況下，由于螺旋形貌具有較大的形變空間，螺旋導(dǎo)電纖維會首先經(jīng)歷一階段直線纖維不會經(jīng)歷的電阻幾乎不變的過程，這種情況在螺距小的纖維中更加突出。利用這一電阻變化特性可以實現(xiàn)螺旋導(dǎo)線在一定程度形變時穩(wěn)定導(dǎo)電的功能。此外，在排列整齊的螺旋導(dǎo)線外周滴加室溫固化的Eco-Flex硅膠，可以制備出透明且柔軟的薄膜材料。這種材料由于其具有良好的循環(huán)拉伸特性，并且內(nèi)部包裹的纖維不會對于整體的拉伸有所影響，在整個拉伸過程中保持較為穩(wěn)定的電阻變化。并且，在多次拉伸情況下電阻變化仍然能基本保持穩(wěn)定（圖3）。

圖3 柔性導(dǎo)電薄膜的制備及拉伸導(dǎo)電性能表征

  進一步地，在實際應(yīng)用中，這種柔性導(dǎo)電薄膜能方便的貼在關(guān)節(jié)部位表面對于不同身體部位的活動有所響應(yīng)（圖4）。當(dāng)手指、手腕和手肘不同頻率下彎曲不同程度時，柔性薄膜的電阻在保持整體穩(wěn)定的同時會隨運動出現(xiàn)極小范圍內(nèi)不同程度的變化。這種特性大范圍內(nèi)保持電阻穩(wěn)定同時小范圍內(nèi)電阻對于不同運動幅度和運動頻率具有響應(yīng)的特性，使制備所得導(dǎo)電薄膜在對于靈敏度要求較高的系統(tǒng)或設(shè)備中起到減小背景信號干擾、提高信噪比的作用。證明了這種包裹有導(dǎo)電微彈簧的柔性薄膜具有很好的實際應(yīng)用前景。在運動時依然保持穩(wěn)定的電子傳導(dǎo)，在對于靈敏度有較高要求的系統(tǒng)中能夠減小背景信號的干擾。

圖4 包裹導(dǎo)電微型彈簧的薄膜在不同身體部位活動中的實時電阻變化

未來展望

  趙遠錦教授團隊通過將具有導(dǎo)電性的離子液體與微流控技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了一步制備仿螺旋藤蔓的導(dǎo)線。導(dǎo)線的形貌和基本導(dǎo)電特性能夠通過流體速度控制調(diào)節(jié)。將制備所得導(dǎo)線包裹于彈性硅膠薄膜中，能夠?qū)崿F(xiàn)不同身體部位運動時電阻在小范圍內(nèi)的靈敏變化同時在大范圍中保持穩(wěn)定。雖然制備所得導(dǎo)電纖維與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比電阻較大，但是通過進一步的材料選擇和制備工藝優(yōu)化，能夠減小今后制備出的導(dǎo)電纖維電阻。因此，這一研究同時增加了微流控技術(shù)的核心價值，并且為電子皮膚中的柔性導(dǎo)體開發(fā)提供了新的研究思路。

  論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2019/6906275/