深圳先進(jìn)院等研發(fā)出一體式離電子傳感紙

造紙術(shù)是中國(guó)四大發(fā)明之一，紙是中國(guó)古代勞動(dòng)人民通過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累形成的智慧結(jié)晶，它由天然或人造纖維素纖維與添加劑組成，在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著記錄和傳播信息的重要作用。那么，有沒(méi)有可能使紙張服務(wù)于未來(lái)的可穿戴智能設(shè)備和人機(jī)界面應(yīng)用呢？近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員常煜團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)戴維斯分校教授潘挺睿團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)將離電子傳感機(jī)制引入紙張中，使紙張擁有了觸覺(jué)傳感功能。相關(guān)論文《一體式離電子傳感紙》發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上（All-in-One Iontronic Sensing Paper. Adv. Funct. Mater. 2019, 1807343），文章第一作者是博士研究生李森，常煜和潘挺睿為共同通訊作者。

近年來(lái)，智能包裝、智能可穿戴電子設(shè)備以及柔性人機(jī)界面引起了越來(lái)越多的關(guān)注，該領(lǐng)域也成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。追求設(shè)備高靈敏度、低成本、3D結(jié)構(gòu)性和表面適應(yīng)性成為一種重要趨勢(shì)。紙張作為一種柔軟、可折疊、可印刷、可切割、一次性、可降解的材料，成本低廉，長(zhǎng)期以來(lái)作為化學(xué)和生物傳感的靈活平臺(tái)。例如pH試紙、血糖試紙、早孕檢測(cè)試紙、紙基有機(jī)氣體傳感器、DNA和蛋白質(zhì)傳感器等都是應(yīng)用十分廣泛的生物化學(xué)傳感器。先前報(bào)道的壓敏紙以及由它們制成的壓力傳感器主要基于三種現(xiàn)有的傳感機(jī)制，即電阻式、電容式和摩擦電式。它們存在制備方法較為復(fù)雜、較低的響應(yīng)線性度和響應(yīng)速度等問(wèn)題。另外，目前報(bào)道的紙基傳感器未能充分利用紙張的可印刷、可剪切及可折疊等特性。

離電子傳感紙?jiān)怼⒔Y(jié)構(gòu)、材料及制備流程

團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一體式離電子傳感紙很好地彌補(bǔ)了上述缺憾。研究團(tuán)隊(duì)基于柔性離電子傳感機(jī)制，提出了離電子傳感紙（ISP）作為一體化柔性傳感平臺(tái)，此平臺(tái)同時(shí)包含離子區(qū)域與電極區(qū)域并且具有直接印刷性、定制可切割性和三維可折疊性。ISP可以僅通過(guò)紙張?zhí)囟ǖ牟僮鳎ɡ绱蛴　⑶懈?、折疊和膠合）以二維平面或三維折紙的形式構(gòu)造壓力傳感器件。另外，ISP器件的靈敏度為10nF/kPa/cm2，至少是當(dāng)前電容式傳感器的數(shù)千倍，分辨率為6.25Pa，具有單毫秒的快速機(jī)械響應(yīng)時(shí)間以及較高的響應(yīng)線性度（R2> 0.996）。此外，該團(tuán)隊(duì)還為ISP器件建立了理論模型，推導(dǎo)并驗(yàn)證了此模型能合理解釋ISP電容-壓力特性。

得益于紙張獨(dú)特卓越的性能，ISP可以切割成任何形狀，并與物體或其包裝無(wú)縫集成，以檢測(cè)重量變化；ISP還可以折疊以構(gòu)建帶有電子接口的智能3D折紙，例如具有高低音量控制的高靈敏度紙鋼琴和用于連續(xù)監(jiān)測(cè)脈搏波形的可穿戴折紙手環(huán)；另外，借助三明治結(jié)構(gòu)，ISP可以構(gòu)建一個(gè)16×16的壓力傳感陣列，此傳感陣列可以追蹤和記錄中國(guó)書(shū)法的筆跡和壓強(qiáng)分布。

離電子傳感紙?jiān)诿}搏波測(cè)量及折紙鋼琴上的應(yīng)用

離電子傳感紙?jiān)跍y(cè)重藥盒及手寫毛筆的壓力分布上的應(yīng)用

這項(xiàng)工作為紙質(zhì)傳感平臺(tái)提供了一種簡(jiǎn)單且低成本的方法，ISP展現(xiàn)了由離電子傳感原理實(shí)現(xiàn)原創(chuàng)智能紙的概念，具有顯著的傳感優(yōu)勢(shì)，在人機(jī)界面、智能包裝、健康可穿戴方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

該項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省“珠江人才”團(tuán)隊(duì)計(jì)劃及深圳市科技計(jì)劃的支持。