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《AM·总述》西北工业大学于海东黄维院士:水凝胶柔性电子产品!

  柔性电子是一个新式的研讨范畴,触及多个学科,包含但不限于物理、化学、资料科学、电子工程和生物学。但是,因为杨氏模量高、生物相容性差、呼应性差等约束,柔性电子产品的广泛运用依然受到约束。旨在战胜这些缺陷并促进其实践运用的立异资料对错常可取的。水凝胶是一类 3D 交联的水合聚合物网络,其杰出的资料特性使其成为下一代柔性电子产品的有期望的候选者。近来,科研人员回忆了组成先进功用水凝胶的最新办法以及依据水凝胶的柔性电子产品在各个范畴的最新运用。更重要的是,科研人员评论了水凝胶特性与器材功用之间的相关性,以更好地了解运用环境呼应性水凝胶开发柔性电子产品。最终,该团队就依据水凝胶的多功用柔性电子产品的开展提出了当时应战和未来方向的观念。

  水凝胶被界说为聚合物的 3D 网络,能够在其本身结构内贮存和保存很多流体,称为溶胀。这种溶胀行为源于坚持和坚持网络结构的聚合物链的化学或物理交联。依据交联类型(物理或化学)、聚合物来历(聚合物、组成和混合)和网络结构(均聚、共聚和互穿)的类型,水凝胶可分为几类,如下图所示。

  跟着人们对开发可穿戴传感器的爱好,了解水凝胶的导电功用具有重要意义,研讨者们也经过导电功用化来增添水凝胶在柔性电子产品中的价值。虽然水凝胶的高含水量使其与细胞外基质高度类似,并使其合适安排工程,但这也是其机械功用较弱的原因。经过灵敏地改动交联密度和单体的挑选等机械加固的办法,可处理水凝胶的强度弱的缺点。水凝胶具有自愈才能,可坚持网络完整性,经过调整该功用可改动机械强度和弹性等,以供长时间运用。

  众所周知,水凝胶是一种常见的软资料,人们一直在尽力探究聚合物水凝胶在柔性电子器材中的潜在运用。具有杰出机械耐性和弹性的水凝胶已开展成为一种多功用渠道,用于集成各种微器材,如可回收电路传感器、致动器晶体管和微型超级电容器,而无需额定的支撑基板。在该部分,作者具体介绍了水凝胶基柔性电子器材的运用,包含在温度、化学、应力/应变、湿度具有呼应的传感器,产能储能设备,致动器、晶体管、电磁屏蔽、触摸屏、药物控释设备等范畴的运用发展。

  图4:用于检测创伤渗出液pH值和葡萄糖浓度的聚羧甜菜碱水凝胶敷料计划(b)智能柔性电子集成创伤敷料的结构示意图(c)主动智能纱带的示意图和概念图。

  1. 在这篇总述中,作者总结并强调了水凝胶柔性电子器材在一系列不同运用中的新发展。首要评论了依据结构的分类和水凝胶的影响呼应性特性。此外,论述了几个重要的办法来战胜普通水凝胶作为柔性电子器材的约束。水凝胶的导电性一般很差,不可能直接在水凝胶上打印电路等。为了前进水凝胶的导电性,本课题组开发了一些办法,如参加导电填料/掺杂物,挑选由导电聚合物制成的水凝胶,以及引进双网战略等。

  2. 力学强度差是开发依据水凝胶的柔性电子器材的另一个关键问题。现在现已做出了一些尽力来改进机械功用,例如,增加填充物/掺杂物,选用有用的能量耗散渠道,运用各向异性资料,以及混合体系的实践。在完成自愈才能方面,各种办法也相应地被研讨,它能够被归类为两个首要的办法,要么依据动态共价键,要么依据非共价键。此外,水凝胶对其他资料的粘附问题是因为水凝胶特性因水的蒸腾而逐步改动而发生的。

  3. 水凝胶的长时间水稳定性和耐环境性是对依据水凝胶的柔性电子的应战。引进保湿剂和用弹性体封装是可用来处理粘附问题的一些潜在处理计划。有一些办法能够前进保水性,例如,运用含有更多亲水基团的大分子作为水凝胶的骨架,引进一些有机溶剂,封装水凝胶,引进盐类等。

  虽然曩昔十年在开发依据水凝胶的柔性电子器材方面取得了重大发展,但仍存在几个应战:

  1. 水凝胶柔性电子器材的集成问题。现在,水凝胶基柔性电子器材的功用依然是有限的,并且一般是单一的,未来的水凝胶基柔性电子器材的形式将是抱负的多功用。例如,一个抱负的生物电子设备应该在灵敏性、适应性、生物相容性和舒适性等基本特征的基础上,整合采样、数据生成和传输、自供电和与人类及时互动等功用。所有这些功用的整合需求创造性的主意,并需求使用各种技术立异的交融。

  2. 水凝胶柔性电子器材的易裁剪性和适应性,以满意不同情况下日常日子的不同需求。更多的战略应该会集在如何将水凝胶设备与生物体系相结合,包含可穿戴性或植入性。在工程方面,除了数据搜集和通讯的其他功用要求外,水凝胶的几许形状、长时间和/或与温度有关的稳定性以及自我修正才能也应得到改进。也就是说,技术立异和协同效应的加快,包含新资料的发现、对传统资料新特性和功用的探究、资料加工的革新(如增材制作)、以及无线通讯的前进(如先进的蓝牙或NFC通讯),使从前只在科幻小说中幻想的强壮柔性电子产品越来越接近于咱们的日常日子。

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