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  2019年6月19日，東南大學生物電子學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制備出包裹離子液體的螺旋仿生微導線，進而能夠構成柔性可拉伸導電系統(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線殼層為聚偏氟乙烯（PVDF），核層為具有導電性的離子液體，其螺旋形貌可通過調節(jié)流體流速實現(xiàn)調控，因而制備出的不同形貌的導線能夠表現(xiàn)出不同的導電特性，并可進一步構建具有不同導電性質的柔性可拉伸系統(tǒng)，應用于柔性電子領域。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線可以如人體中的血管網(wǎng)絡一般傳導電子，是軟體機器人、可穿戴設備、可變形設備等柔性電子系統(tǒng)中的重要組成部分。目前已有研究將金屬、半導體、碳材料、液體金屬、離子液體等做成導線材料與彈性較好的高分子材料相結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電材料相比，可拉伸形變的導體在感知和傳導包括拉伸、彎曲、扭轉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構較為簡單，在進一步構建復雜三維結構的柔性系統(tǒng)中的應用有所限制。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開發(fā)出了包裹離子液體的螺旋纖維作為微導線應用于柔性電子的導電研究中。

研究進展

  東南大學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實現(xiàn)營養(yǎng)物質運輸?shù)闹参锫菪俾麊l(fā)，首次將導電流體與微流控結合，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)定的導電性（圖1）。

圖1 用于構建柔性導電薄膜的螺旋微導線制備示意

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

圖2  導電纖維的微流控制備及表征

  制備得到的不同形貌的導電纖維其基本電學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)螺旋導線在一定程度形變時穩(wěn)定導電的功能。此外，在排列整齊的螺旋導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 柔性導電薄膜的制備及拉伸導電性能表征

  進一步地，在實際應用中，這種柔性導電薄膜能方便的貼在關節(jié)部位表面對于不同身體部位的活動有所響應（圖4）。當手指、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)極小范圍內不同程度的變化。這種特性大范圍內保持電阻穩(wěn)定同時小范圍內電阻對于不同運動幅度和運動頻率具有響應的特性，使制備所得導電薄膜在對于靈敏度要求較高的系統(tǒng)或設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電微彈簧的柔性薄膜具有很好的實際應用前景。在運動時依然保持穩(wěn)定的電子傳導，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電性的離子液體與微流控技術相結合，實現(xiàn)了一步制備仿螺旋藤蔓的導線。導線的形貌和基本導電特性能夠通過流體速度控制調節(jié)。將制備所得導線包裹于彈性硅膠薄膜中，能夠實現(xiàn)不同身體部位運動時電阻在小范圍內的靈敏變化同時在大范圍中保持穩(wěn)定。雖然制備所得導電纖維與傳統(tǒng)導線相比電阻較大，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電纖維電阻。因此，這一研究同時增加了微流控技術的核心價值，并且為電子皮膚中的柔性導體開發(fā)提供了新的研究思路。

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