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可呼吸的感知網(wǎng)絡(luò)，液態(tài)金屬-碳基油墨打印全集成電子織物

來(lái)源：上海冪方電子科技有限公司 更新時(shí)間：2025-03-19 11:15:10 閱讀量：136
導(dǎo)讀：可呼吸的感知網(wǎng)絡(luò)，液態(tài)金屬-碳基油墨打印全集成電子織物
研究背景
可穿戴電子設(shè)備在健康和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、人機(jī)界面、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。電子紡織品作為可穿戴電子設(shè)備的關(guān)鍵部分，需兼具電子產(chǎn)品的功能與卓越的穿著舒適性，具備優(yōu)異機(jī)械性能、良好柔韌性、與皮膚的保形接觸以及出色的穿著舒適性等特性。

在制造多功能先進(jìn)智能服裝設(shè)備（如柔性電路、傳感器、自供電和能源設(shè)備）時(shí)，基于油墨的技術(shù)因其簡(jiǎn)便、低成本可擴(kuò)展性和低損耗等優(yōu)勢(shì)而快速發(fā)展。其中，導(dǎo)電油墨的選擇至關(guān)重要，它需要平衡導(dǎo)電性、可加工性、穩(wěn)定性、粘合性以及成本等多方面因素。隨著可穿戴電子設(shè)備和生物電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，生物相容性也成為導(dǎo)電油墨的重要特性。

水作為最環(huán)保的溶劑，具有成本低、不易燃且生物相容性出色的優(yōu)點(diǎn)，促使人們探索更高效的方法來(lái)生產(chǎn)水基導(dǎo)電油墨。然而，開發(fā)綠色溶劑往往會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)導(dǎo)電化合物的分散性和粘合性變差，通常需要使用粘合劑或表面活性劑來(lái)保證高質(zhì)量導(dǎo)電油墨的均勻性。但常用的聚合物粘合劑與水基溶劑不親和，這給制備生物兼容的水性油墨帶來(lái)了困難。

此外，由于紡織品具有多孔、粗糙和各向異性的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電油墨與紡織品之間的粘附性在不穩(wěn)定的分散體中難以保證。因此，開發(fā)新型智能電子紡織品迫在眉睫。這種電子紡織品不僅要融合電子產(chǎn)品的功能性和紡織品的舒適性，還需具備良好的生態(tài)友好性、生物兼容性和粘合性，以滿足未來(lái)各種可穿戴電子產(chǎn)品的多功能商業(yè)應(yīng)用需求。 


研究亮點(diǎn)
1. 以生物聚合物為媒介的天然交聯(lián)碳質(zhì)液態(tài)金屬水性可打印油墨。
2. 具有導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、耐磨性和美觀性的電子織物。
3. 在健康監(jiān)測(cè)、壓力傳感和能量收集方面具有多種應(yīng)用。

研究成果
實(shí)現(xiàn)柔性電子產(chǎn)品與傳統(tǒng)紡織品相媲美的舒適性和耐用性是智能可穿戴設(shè)備的終極追求之一。墨水印刷工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，是電子紡織品開發(fā)的理想選擇。然而，如何制造出具有良好分散性、穩(wěn)定性、生物相容性和耐磨性的高性能頂層紡織品，以滿足高分辨率、大規(guī)模制造和實(shí)際應(yīng)用的需要，仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。香港理工大學(xué)徐賓剛教授等人提出了具有碳質(zhì)鎵銦微納米結(jié)構(gòu)的水基多壁碳納米管(MWCNTS)裝飾液態(tài)金屬(LM)油。在生物聚合物的幫助下，海藻酸鈉包封的液態(tài)金屬液滴含有高羧基，可與絲膠介導(dǎo)的 MWCNTS 非共價(jià)交聯(lián)。隨后可通過(guò)印花技術(shù)和天然防水三電涂層制備電子紡織品，無(wú)需任何人工化學(xué)品，即可實(shí)現(xiàn)良好的柔韌性、親水性、透氣性、耐磨性、生物相容性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的多功能性。獲得的電子紡織品可用于各種應(yīng)用，并可設(shè)計(jì)圖案和電路。在識(shí)別復(fù)雜的人體運(yùn)動(dòng)、呼吸、發(fā)聲和壓力分布等多種傳感應(yīng)用中，展示了可重復(fù)和可靠的信號(hào)。此外，還通過(guò)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和照明LED 展示了自供電和能量收集功能。作為概念驗(yàn)證，這項(xiàng)工作以可擴(kuò)展和可持續(xù)的方式為開發(fā)新型可穿戴電子設(shè)備和智能服裝的未來(lái)商業(yè)應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。相關(guān)研究以“Naturally Crosslinked Biocompatible Carbonaceous Liquid Metal Aqueous Ink Printing Wearable Electronics for Multi?Sensing and Energy Harvesting”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊上。

圖文導(dǎo)讀
圖片
Fig. 1 a Synthetic roadmap to convert bulk LM to SeLM-SeCNT nanodroplets and the fabrication of water-based SeLM-SeCNT conductive ink for multiple applications. b Hand-written traces with a ballpoint pen filled with the SeLM-SeCNT inks. On various flexible substrates. c Photograph of printed aesthetic e-textiles with exquisite conductive circuit patterns using screen-printing method on different fabric materials and commercial clothing. d SEM image of the printed conductive layer on a textile substrate and the sectional view of the printed e-textile with a resolution of 500 μm
 
圖片
Fig. 2 Characterization of SaLM-SeCNT composite. 
 
圖片
Fig. 3 Electromechanical and textile properties of the SaLM-SeCNT conductive ink for printed e-textiles.
 
圖片
Fig. 4 Strain- and temperature-sensing performance of the SaLM-SeCNT printed e-textile. 
 
圖片
Fig. 5 Working mechanism and electrical output performance of the SaLM-SeCNT e-textile TENG. 
 
圖片
Fig. 6 Sensing applications of wearable SaLM-SeCNT printed e-textile for detecting various human motions, breathing, and speaking.
圖片
Fig. 7 Practical applications of the SaLM-SeCNT printed e-textile in energy harvesting, power sourcing, and self-powered sensing. 

總結(jié)與展望
綜上所述，作者利用生物聚合物和膠狀蛋白的優(yōu)勢(shì)，自然獲得了具有強(qiáng)相互作用和交聯(lián)的 SeCNT包裹 SaLM 納米粒子，可均勻分散于水中，可作為穩(wěn)定的導(dǎo)電墨水用于可印刷可穿戴電子設(shè)備。由于其顯著的穩(wěn)定效果，它具有很高的適應(yīng)性，可通過(guò)油墨書寫和印刷技術(shù)與紙張聚合物薄膜和紡織品等各種柔性基底兼容。制作出的電子紡織品不僅實(shí)現(xiàn)了綜合特性，包括顯著的機(jī)械和電氣性能、線性靈敏度、膠體穩(wěn)定性、耐性、穿著舒適性、耐用性和生物相容性,還增加了美觀性和易用性。作為概念驗(yàn)證，展示了多功能應(yīng)用，包括運(yùn)動(dòng)和呼吸監(jiān)測(cè)、壓力跟蹤、自供電傳感和能量收集。因此，可以預(yù)見這種綠色SaLM-SeCNT水性油墨將為生態(tài)友好型導(dǎo)電油墨的開發(fā)帶來(lái)新的理念，并拓寬生物相容性柔性電子的應(yīng)用范圍。

文獻(xiàn)鏈接
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01362-z

*本文來(lái)源：作者團(tuán)隊(duì)，感謝作者團(tuán)隊(duì)對(duì)本公眾號(hào)的大力支持！如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除，如有冒犯之處敬請(qǐng)見諒!


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