盤(pán)點(diǎn)二維復(fù)合薄膜制備及可穿戴傳感器方面取得的進(jìn)展

柔性電子材料因其可應(yīng)用于如柔性電路、柔性顯示器、柔性太陽(yáng)能電池、電子紙、觸摸屏、植入式醫(yī)療設(shè)備以及具有皮膚感應(yīng)功能的機(jī)器人系統(tǒng)等之中，受到了人們的廣泛關(guān)注。碳納米管（CNTs），由于其獨(dú)特的性質(zhì)，例如高的本征載流子遷移率、導(dǎo)電性、機(jī)械柔韌性以及在低成本生產(chǎn)方面的潛力，是柔性電子器件的理想候選者。雖然由單個(gè)碳納米管組成的器件被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)某些應(yīng)用的一種選擇，但由于難以將單個(gè)碳納米管放置在所需的位置，以及碳納米管的電性能隨其手性和直徑的不同而變化，因此在商業(yè)化應(yīng)用上存在著巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，基于薄膜的CNTs設(shè)備的電性能因平均化而相對(duì)統(tǒng)一，提供了一條實(shí)用的商業(yè)化途徑。因此，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、高效、廉價(jià)且可靠的制備二維CNTs薄膜的方法以及將其簡(jiǎn)單、有效地與彈性高分子相復(fù)合，制備柔性的可穿戴傳感器，對(duì)于推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)上述需求，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤課題組開(kāi)展了一系列研究。

圖1 水/空界面制備大面積CNT薄膜的示意圖

研究人員利用Marangoni力效應(yīng)通過(guò)類(lèi)Langmuir-Blodgett法將分散在乙醇中的碳材料分散體滴入到水表面，發(fā)展了一種在水/空氣界面快速形成大面積二維CNTs薄膜的方法。該方法相較于當(dāng)前制備CNTs薄膜的方法（化學(xué)氣相沉積、基于懸浮液沉積、浸涂、旋涂、噴涂、抽濾、逐層組裝和Langmuir-Blodgett法）更加簡(jiǎn)單、高效，無(wú)需昂貴的儀器即能制備均勻的大面積薄膜。在界面上形成的CNTs薄膜具有厚度，透射率和導(dǎo)電率可調(diào)，且允許進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到其他基板或界面進(jìn)行進(jìn)一步修飾與功能化 (Chem. Mater., 2016, 28, 7125; J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 9750，授權(quán)專(zhuān)利號(hào)：ZL201510466050.3)。

圖2 2D CNT薄膜的自組裝和原位不對(duì)稱(chēng)修飾示意圖

進(jìn)一步，研究人員發(fā)現(xiàn)上述CNTs薄膜經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的陳化，CNTs上攜帶的親水性基團(tuán)將誘導(dǎo)其自組裝形成具有不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性的薄膜，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的水/油界面原位不對(duì)稱(chēng)修飾可構(gòu)筑二維非對(duì)稱(chēng)Janus薄膜。由于其高度的可設(shè)計(jì)性，可以實(shí)現(xiàn)不同功能性分子的非對(duì)稱(chēng)構(gòu)筑，此法為Janus材料的制備提供了一種新的制備方法和研究思路，將會(huì)有助于拓寬Janus膜材料的應(yīng)用領(lǐng)域（Chem. Commun., 2018, 54, 12804）。

基于二維CNTs薄膜的可轉(zhuǎn)移特性，研究人員將其轉(zhuǎn)移至聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜表面，進(jìn)一步構(gòu)建了一種可穿戴應(yīng)變傳感器。該傳感器可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)移CNTs薄膜的次數(shù)來(lái)精確控制其厚度，以調(diào)整在拉伸過(guò)程中CNTs/PDMS復(fù)合材料網(wǎng)絡(luò)裂紋連接的分離島的間隙、島和橋的形成。這種網(wǎng)絡(luò)裂紋狀結(jié)構(gòu)賦予了該應(yīng)變傳感器高的靈敏度系數(shù)（最大GF為87）、寬檢測(cè)范圍（高達(dá)100％），低的應(yīng)變檢測(cè)極限（=0.007％）和優(yōu)異的穩(wěn)定性（循環(huán)1500次）?？赏瑫r(shí)適用于微小應(yīng)變和大應(yīng)變檢測(cè)，包括動(dòng)脈脈搏的振動(dòng)、音樂(lè)振動(dòng)和關(guān)節(jié)彎曲等（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140）。

圖3 網(wǎng)絡(luò)裂紋狀可穿戴應(yīng)變傳感器

可穿戴電子產(chǎn)品因其在智能人機(jī)界面、可穿戴人體健康監(jiān)測(cè)儀和模仿生物器官中的潛在應(yīng)用而引起廣泛關(guān)注。然而，大面積、低成本制備自粘性和易于轉(zhuǎn)移的柔性超薄膜仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。研究人員通過(guò)直接在水/空界面處制備的CNTs薄膜表面噴灑熱塑性彈性高分子（TPE）溶液，待溶劑揮發(fā)完全后，即在水/空界面處形成了CNTs/TPE非對(duì)稱(chēng)二維Janus雜化膜，構(gòu)建了一種超薄、自支撐和自粘附性的柔性傳感器。該傳感器可以直接附著在人體皮膚表面用于實(shí)時(shí)人體生理行為檢測(cè)。此外，還可用于有效檢測(cè)微小氣流變化甚至聲音傳播過(guò)程中引起的擾動(dòng)。該非對(duì)稱(chēng)彈性體二維復(fù)合薄膜在可穿戴柔性電子皮膚和人工耳膜方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666）。

圖4 水/空界面制備大面積自粘附、自支撐柔性電子皮膚

以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（51573203）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目（174433KYSB20170061）的資助以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持（2017337）。