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柔性电子最新研究进展集锦|WILEY编辑精选

发布时间:2019-09-09 访问次数:420次 来源:Materialsviews 和 高分子科学前沿 联合发布 分享:

终结者的到来——柔性机器人
清华大学医学院刘静课题组联合中科院理化所,基于本课题组近些年来关于镓基液态金属材料及柔性机器人等的科学发现以及同领域中的前沿研究成果,对液态金属作为应用于柔性机器人领域中的材料特性进行了详细评述。包括其流动性、柔性、固液相转换特性、导电性、生物安全性、多功能复合材料改性等;此外,还勾画出基于液态金属的柔性机器的基本设计架构及单元,涉及驱动装置及能量供应部分、仿生传感功能,以及作为柔性机器的功能控制单元等;在此基础上对此种新型的液态金属柔性机器的应用进行了介绍,包括柔性仿生机器人、智能控制机器、微型机器人等;最后对液态金属柔性机器人的发展前景以及当前存在的关键技术难题进行了深入探讨。
相关综述在线发表于Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800549)上。

柔性光流控微管
柔性微流控器件在外力作用下可以改变形状以适应不同检测环境的需求,具有良好的机体适应性,有望在可穿戴与可植入生物医疗器件中应用。然而,目前微流控器件的构筑都使用非响应性材料,本身不具备液体自驱动能力,需要依赖外部泵阀等设备完成液体的控制,不利于器件的便携化与可穿戴性。复旦大学俞燕蕾教授课题组提出光致毛细作用力定向驱动液体运输的新策略,利用光响应线型液晶高分子构筑微通道实现液体的精确操控。基于这种原理,近期该团队设计了一种新型的线型液晶高分子PABBP,通过与商用柔性EVA微管的复合,构筑了一种全光控双层微管执行器。该工作中构筑的双层微管不仅能够作为实验室微流控芯片中的基本组成单元,实现液体运输功能的集成化;同时这种微管有望作为可穿戴微流控部件,进一步实现柔性器件的便携化和小型化。
相关结果发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201901847)上。

柔性热电材料和器件
澳大利亚南昆士兰大学陈志刚教授与昆士兰大学邹进教授和上海硅酸盐所的陈立东教授和史迅教授对近年来柔性热电材料和器件的进展进行了归纳性总结。文章中将不同的柔性热电材料分为导电聚合物,导电聚合物与无机半导体填充物的复合材料,无机半导体薄膜三大类,并通过对不同体系微观层面的物理化学机理分析提炼出各自的性能优化策略。另一方面,文中总结了不同柔性热电器件的结构特点。通过分析各种结构的优缺点,指明其各自适合的应用场合。最后,作者针对不同柔性热电体系以及柔性热电器件提出了面临的挑战和可能的解决策略,为未来高性能柔性热电材料和器件的发展提供了新的思路。
相关综述论文发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201807916)。

用于可穿戴电子的新型弹性RRAM
电致阻变效应的电阻型随机存储器(RRAM)因其具有非易失性、结构简单、低功耗、高密度、快速读写等优势,被认为是最具发展潜力的新兴存储技术之一。RRAM的柔性化和弹性化引起了科学界越来越多的关注。深入理解RRAM的机械和电学失效机制,对于实现其柔性化集成具有重要的意义。采用有机弹性高分子作为阻变介质,其在拉伸情况下分子链的转动及其环境水氧耐受性较差,所制备的阻变存储器在应变下的电学稳定性一般都差。中科院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员带领的科研团队进一步提出了采用有机-无机杂化的金属-有机框架(MOF)材料作为阻变介质构建RRAM器件,来同时提高柔性RRAM器件的存储性能、弹性机械性能和热稳定性。MOF材料是有机配体与金属离子或团簇通过配位键构建的有机-无机杂化的晶体框架材料。通过合理的选择有机和无机组成单元,MOF材料可通过配位键键角的改变以及框架结构的规则变化实现材料的形变(呼吸效应)。这一特性为阻变介质的柔弹性化提供了更大的空间。
相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI:10.1002/aelm.201800655)。

汗液中窥探健康的奥秘:柔性传感贴片
汗液成分复杂,蕴含着丰富的健康信息,如果通过皮肤表面的汗液分析就可以实现无创的健康监测和疾病诊断,在生命健康领域无疑具有重要的意义和巨大的市场前景。正因如此,近年来贴皮式电化学传感器件发展迅速。浙江大学刘清君课题组联合中科院苏州纳米所等研发单位基于印刷电子技术,近场通讯(NFC)技术,和电化学传感技术,构建了一种无线、无源、柔性的贴皮式电化学传感贴片,可以实现汗液中葡萄糖、钠离子、钾离子和pH等多种组分的定量分析。相对于已有的贴皮式电化学传感器件,该研究实现了传感系统进一步的小型化、柔性化和集成化,为可穿戴生物医学传感提供了一个强有力的平台。该平台不仅可以应用于汗液成分分析,通过与微针、离子电渗等模块结合,还可实现贴皮式的组织液甚至血液检测。由于系统无线、无源,未来也可广泛用于植入式的电化学传感与分析。
相关文章在线发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800658)上。

柔性SERS:即时诊断新策略
新加坡国立大学洪明辉院士团队全面深入总结了柔性SERS传感技术的研究进展,主要包括三大方面:1)纳米结构和光学性质可调控的SERS基底;2)涂抹采样SERS检测法;3)原位SERS检测法。文章重点分析讨论了如何基于上述柔性SERS传感芯片来提高大分子检测效率,改善金属纳米结构与柔性衬底的粘附性,增强被检测分子提取效率以及减小衬底厚度、改善透光性等问题。另外,文章也介绍了其它新兴的柔性SERS技术,例如,基于能量转换的SERS传感器、基于柔性衬底的微球阵列增强SERS技术,以及可穿戴防伪SERS应用。文章最后展望分析了柔性SERS技术在即时诊断实际应用中存在的挑战,例如,大部分柔性聚合物衬底拉曼背景信号较强、基于纯金属柔性SERS芯片以及便携式拉曼光谱仪成本较高等。其中,在大尺寸低成本制备柔性透明SERS膜方面,基于生物降解性聚己内酯(PCL)膜的机械拉伸来实现大面积均匀柔性透明SERS传感器的方法值得借鉴。另外,柔性SERS技术与其它可穿戴柔性物理化学传感器的有效集成将为全面即时诊断分析个人健康状况提供新思路。
相关文章在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201900925)上。

蚕丝智能复合电子织物
厦门大学生物仿生及软物质研究院刘向阳教授课题组应用纺织制造技术,通过蚕丝碳纳米复合纱线,纺出能感知温度与压力的智能传感纱线,并采用平纹编织方法制备了具有精细测空间温度及压力分布的复合电子织物。
他们研究的织物传感器采用了蚕丝纤维作为包缠纱的复合纱结构。其中,碳纳米管及离子液体作为温度敏感材料形成了纱线温度传感器,高导电银纳米线作为电极材料制备了交织点压力传感器,在此基础上制备了具有双传感功能的电子织物。双层传感织物可靠、稳定、耐洗,可直接与纺织品结合,为穿戴灵活的电子产品提供了巨大的机遇。此项研究将会为多功能织物传感器打开了新的思路,并为编织工艺制备可穿戴柔性电子织物提供研究方法。研究者相信,多功能和多维度智能织物传感器在人机交互,可穿可脱电子皮肤、生物医学假肢、生理信号分析等领域具有潜在的应用前景。
相关综述在线发表于Small (DOI: 10.1002/smll.201901558)上。

柔性光学超构表面材料
光学超构表面因其具有常规材料难以企及的操控光的波长、振幅、偏振状态和传播方向的能力,近年来引起了人们极大的研究兴趣。然而,利用传统的微纳加工方法制造超构表面势必需要扫描曝光系统(如电子束曝光系统)和高真空度的热/电子束蒸镀过程。香港大学机械工程系李文迪课题组和南方科技大学材料科学与工程系程鑫课题组使用基于光纤光学的干涉光刻系统在涂覆于导电玻璃衬底的光刻胶上曝光大面积棋盘状纳米结构,再通过低成本高效率的电沉积(电镀)工艺选择性沉积互补的金纳米棋盘结构,并利用热压转移技术将该结构转移至环烯烃共聚物塑料衬底上。利用该方法制造的光学超构表面在用于表面等离激元传感时表现出了优异的性能,在可见光范围内实现了435 nm/RIU的检测灵敏度。结合特定的生物蛋白抗原后,该柔性光学超构表面材料还可用于特异性的生物抗体浓度检测,检测下限优于0.1 μg/mL。研究者相信,此项研究有助于光学超构表面的低成本大批量制造,有望应用于柔性、可穿戴式表面等离激元传感设备的开发及其它柔性微纳光学器件的设计与制造。
相关结果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201900516)上。

可穿戴生物相容的应力应变传感器
哈佛大学鲍尔森工程与应用科学学院的Robert J. Wood教授提出了一种由碘化钾和甘油(KI-Gly)组成的新型生物相容性导电液体,与现有的生物相容性溶液相比,其导电性提高了四倍,并且在空气中表现出较好的稳定性。应力传感器由一种新型多层结构组成,实现了高分辨率、高线性度和低滞后。此外,研究者还探讨了15.0-65.0°C和40.0-80.0%RH范围内传感器的响应行为。其结果表明,虽然传感器的基线电阻因外部环境而变化,但它们的灵敏度保持相对稳定。最后,研究者成功将该流体传感器应用于人体运动跟踪实验中。通过传感器测量和运动捕捉实验,充分说明传感器可以成功地跟踪人体运动并测量其相互作用力。该应力应变传感器同时具备高生物相容性、稳定性和准确的传感性能不仅有望用于动作捕捉,还可以推进健康监测设备、手术器械和人机交互设备的发展。
相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201807058)上。

聚合物协助金属沉积助力柔电发展
香港理工大学郑子剑教授专注于纳米结构打印/表界面化学修饰/柔性能源材料与器件制备等研究领域,在多年研究探索中成功发展了一种通过在基底表面嫁接聚合物分子层来诱导协助金属无电沉积的方法,即“聚合物协助金属沉积Polymer-Assisted Metal Deposition (PAMD)”。鉴于PAMD在制备柔性导体和柔性器件领域的广泛应用,该课题组最近于Advanced Materials发表的研究进展报告从工作机理/柔性导体/打印技术/电子器件四方面对PAMD进行了详细介绍。
相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201902987)上。

可编织的响应性液晶复合纤维
液晶具有快速且良好的响应性而受到广泛的应用,但大部分应用均是以平板或薄膜状的形式,一定程度上限制了液晶的应用领域。而大自然中却普遍存在着具有液晶性质的复杂纤维,比如蜘蛛丝。曾有研究者利用静电纺丝或喷绘等技术得到具有液晶芯的响应性纤维,但由于技术的特殊性,所得液晶芯直径往往不超过10mm,力学强度差,响应效果不理想,而且这类纤维十分脆弱难以进行编织。江南大学的付少海、肯特州立大学的John L. West提出一种具有液晶外壳的响应性纤维的制备方法,研究者们将纤维先后通过液晶溶液、高聚物溶液,得到具有核壳结构的响应性液晶复合纤维,既保留了液晶的响应性同时具有一定的柔韧性。其中纤维提供强度,液晶小分子作为响应性涂层,高聚物溶液则对该涂层起稳定作用以防止破碎脱落。与以往的液晶芯纤维相比,可操作性更大,对纤维性能的可控程度更高,对于制备新型的可穿戴设备有一定的启发意义。
相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201902168)上。

用于可穿戴电子器件的柔性热防护基底
可穿戴柔性电子器件能与人体皮肤完美贴合,可主动、准确地测量人体生理信号(如体温、血氧、血压等),在人体健康管理、疾病诊疗等领域具有重要的应用前景。在工作过程中,功能元件(如发光二极管)的过量发热会造成人体不适,甚至引起烫伤,使可穿戴电子器件应用的安全性和可靠性受到极大挑战。
北京航空航天大学的李宇航副教授与浙江大学的宋吉舟教授合作,提出了一种新型功能性柔性复合材料设计,作为可穿戴电子器件的热防护基底,能够在保持基底柔性的前提下控制热流和有效地吸收热量。该功能性柔性复合材料是将金属薄膜与相变材料嵌入柔性高分子聚合物中,一方面,通过金属薄膜增加沿面内方向传输的热流进而减少沿面外方向(传向人体)的热流,另一方面,过量热量会被相变材料发生相变吸收并保持温度不变(即相变温度)。与传统可穿戴电子器件的柔性基底相比,该柔性热防护基底可将温度峰值降低85%以上。
相关结果发表在Advanced  Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201905470)上。

纤维和织物电子学面临的应用挑战
复旦大学彭慧胜教授课题组总结了纤维和织物电子学的应用挑战。作者讨论了纤维和织物电子学在可穿戴电子器件、能源转换、存储以及能源医学方面的巨大可能性,以及对单纤维和纺织电子在连续可扩展的制造、封装、测试和应用模式方面的挑战进行了探讨。此外,作者还分析总结了纤维和织物电子技术的研究现状和发展趋势,并提出了促进其商业化的未来方向。
相关结果发表在Advanced  Materials(DOI: 10.1002/adma.201901971)上。

实时伤口状态监测和按需抗感染治疗
北京化工大学的张立群教授和万鹏博教授报道了一种具有实时温度传感功能的柔性透气电子学器件,该设备能够在伤口部位进行伤口状态监测,提供关于感染或者炎症的信息;此外,该柔性温度传感器与无线发射机耦合,可实现实时无线温度监测。基于温敏聚合物的纳米网络状薄膜也可以组装成高效的柔性加热器,以按需触发释放载于纤维中的抗生素,从而在感染发生后及时消除伤口部位的细菌。
相关结果发表在Advanced  Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201902171)上。

耐低温导电MXene有机水凝胶应变传感器
导电水凝胶由于其优良的电子性能、可调的机械性能和良好的生物特性,已成为制造柔性可穿戴应变传感器的新兴材料。传统导电水凝胶以纯水为分散介质,在零度以下冻结,凝胶的柔性和导电性下降而难以在低温下应用。即使在室温下水凝胶也会因水的蒸发而失去稳定性。理想的导电水凝胶应变传感器应是柔性的、抗冻的、可修复的、长期保水和稳定的。北京化工大学万鹏博和德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华课题组通过简单的浸泡-置换法,制备了一种柔性、抗冻、保水、自修复的有机水凝胶应变传感器。将包埋二维过渡金属碳化物/碳氮化物MXene的聚乙烯醇-聚丙烯酰胺(PVA-PAAm)水凝胶(MNH)浸泡在乙二醇(EG)中,置换掉部分水分后,得到MXene复合有机水凝胶(MNOH)。所得凝胶在-40℃低温下保持不冻柔性态,8天时间内稳定保水。制备的应变传感器具有非凡的敏感度(GF = 44.85)和高度350%的应变度。此外该有机水凝胶具有良好的自修复性。
相关结果发表在Advanced  Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201904507)上。

用于可穿戴电子器件的柔性热防护基底
在现有的构筑超级电容器柔性电极的策略中,微/纳复合填料通常是随机的分散在柔性基体中,然而研究表明这种随意的结构会致使离子传输路径曲折,妨碍离子传导,尤其是在高电流密度下。此外,现今研究中大量使用的赝电容材料导电聚合物(PEDOT、PANI、PPY)通常是采用电化学沉积的湿法工艺制备,该法中溶剂的引入与使用会对电子设备系统的集成与纳米结构电极的形貌产生不利影响。
基于以上问题,美国麻省理工学院Brian L.Wardle教授团队采用两步法设计与筑造了高柔性、致密、水平排列的碳纳米管(HACNT)阵列/共形涂覆聚三甲基噻吩(P3MT)导电聚合物(P3MT/HACNT),作为超级电容器的电极,它具有可调控的纳米多孔形貌。相对于目前最先进的,无论是在面电容还是在功率密度上,该非对称超级电容器都可以提供超过1-2数量级的性能提升。此外,在高应变下电容器的性能几乎没有衰减,展现了电极良好的机械和电化学稳定性。
相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201901916)上。

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