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  可穿戴式柔性電子應變傳感器逐步被投入至日常消費產(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、寬應變傳感范圍等傳感性能的升級突破，為實現(xiàn)其多領(lǐng)域的技術(shù)融合和應用，可穿戴式柔性電子應變傳感器需要在復雜運行環(huán)境下抗液體干擾而穩(wěn)定傳感運行是亟待解決的一個重要科學難題。因為復雜的環(huán)境(如水、酸、堿、鹽、微生物等)會干擾柔性應變傳感器，導致其電導率等電學性能的不穩(wěn)定，從而影響柔性應變傳感器的穩(wěn)定性和縮短其使用壽命。例如：細菌若黏附在傳感器表面將產(chǎn)生微生物腐蝕破壞導電層，水分子或其它分子若滲入導電層中不僅影響其電學性能且產(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雜等不足。為此，提出不封裝直接在可穿戴式柔性電子應變傳感器表面構(gòu)筑Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)實現(xiàn)抗液滴傳感干擾的科學假說，并揭示其內(nèi)在機制，具有重要的研究意義。

  廣州大學林璟副教授研究團隊發(fā)現(xiàn)：基于Wenzel表面潤濕狀態(tài)的MWCNT/G-PDMS可穿戴式柔性電子應變傳感器在傳感過程中極易受外在液體的干擾，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和Wenzel表面潤濕狀態(tài)下液體干擾模型分析，得知其液體會發(fā)生內(nèi)滲現(xiàn)象，導電通路發(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。通過表面潤濕理論分析其原因，是因為Wenzel潤濕狀態(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，同時也容易黏附細菌，導致其電學性能易受各類液體的干擾性影響。

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

圖1 基于Cassie-Baxter表面構(gòu)筑技術(shù)實現(xiàn)應變傳感器抗液體干擾和抗細菌黏附的策略

  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LBL式碳納米管/石墨烯(MWCNT/G)導電傳感層和(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)傳感器多級結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計實現(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°)、較小的滾動角(4°)、較大的水下油接觸角(142°)、水下油黏附力(≈0μm)，對各類測試液滴(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、抗細菌黏附等性能，該可穿戴式柔性電子應變傳感器在1000次拉伸-回縮循環(huán)后，液體干擾情況下其靈敏度高達1989，并具有寬的拉伸傳感測試范圍(0.1-170%)、和快速響應能力(響應和恢復時間為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。在人工降雨測試中，監(jiān)測電子鳥運動行為的FAMG可穿戴式柔性電子傳感器具有很強的抗液體干擾和抗細菌黏附性，并測試穿戴在人體各部位(脈搏、手腕、手指、膝蓋)的運動行為，實現(xiàn)了在復雜環(huán)境下對人體活動全方位精準監(jiān)測，表明了該傳感器在復雜環(huán)境中具有良好的適應性。

圖2 FAMG可穿戴式柔性電子應變傳感器抗液體傳感干擾和抗細菌黏附測試及其模型

  其理論創(chuàng)新在于提出了抗液體傳感干擾的設(shè)計策略和揭示了新型多級結(jié)構(gòu)的超靈敏寬范圍應變傳感器的內(nèi)在傳感機制，通過圖3模型和實驗結(jié)果分析，揭示了MWCNT/G導電層的裂紋擴展效應和APTES/MWCNT/G中間隔離層的終端裂紋擴展效應是產(chǎn)生超靈敏的內(nèi)在機制，MWCNT的微橋效應和APTES/MWCNT/G中間隔離層的滑移效應是寬拉伸傳感應用范圍的主要內(nèi)因，構(gòu)筑多級結(jié)構(gòu)的Cassie-Baxter表面潤濕態(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濕特性是抗細菌黏附的內(nèi)在機制。

圖3 FAMG可穿戴式柔性電子應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；廣州大學蔡嫻芳(碩士)、劉自力(教授)和謝敏(碩士)，澳門大學周冰樸(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