一种用于自清洁皮肤的表面性质可调的弹性气凝胶

近年来,随着社会科技的进步人们对柔性电子皮肤、智能可穿戴器件提出了弹性、轻质以及表面性质可调等更高层面的要求。气凝胶由于其具有高比表面积、密度低和隔热性好等优点而被广泛应用于吸附、隔热涂层以及微电子器件的制备中。但气凝胶材料往往容易存在力学性能较差(脆),以及容易吸水等问题,以此为基底制备的器件通常在性能上不太稳定。因此制备一种具有弹性且表面性质可以改变的气凝胶具有重要的意义。

针对这一问题,南京大学张秋红副教授、贾叙东教授从分子设计的角度制备了一种新型的苯并噁嗪单体,利用乙烯基和苯并噁嗪的双交联构建了气凝胶的骨架结构,经过交联以及冷冻干燥后得到了具有弹性和亲疏水表面可以调控的气凝胶。

南京大学张秋红、贾叙东课题组:一种用于自清洁皮肤的表面性质可调的弹性气凝胶

图1. 弹性、可调表面的气凝胶结构图

这种材料展现出良好的弹性性能,经过70%的压缩后并没有明显的裂纹产生,并且可以在50%的应变下进行500次循环。此外,借助胡文兵教授课题组发展的Flash DSC测试热导率的方法,测试得到这种气凝胶的热导率可以达到38mWm-1K-1.

南京大学张秋红、贾叙东课题组:一种用于自清洁皮肤的表面性质可调的弹性气凝胶

图2. 气凝胶力学性能图

当该材料经过热处理后,在70%的应变下仍然可以回弹到原来的状态。在热处理后,气凝胶的表面性质发生了改变,由完全亲水表面(0°)变成了疏水表面(145°)。进一步研究了不同温度和不同时间下的水接触角的变化。研究人员将这种变化归因于苯并噁嗪的进一步固化和气凝胶表面形貌的变化。

南京大学张秋红、贾叙东课题组:一种用于自清洁皮肤的表面性质可调的弹性气凝胶

图3. 表面性质可调的气凝胶

最后,研究人员以该气凝胶作为基底,采用原位聚合的方法,将聚苯胺修饰到气凝胶当中,得到了一种具有疏水表面的压力传感器。该器件能够监测不同压力下的电阻变化,并展现出良好的响应性和优异的稳定性,并且能够稳定监测人体运动,包括脉搏跳动、手指弯曲以及拿捏重物等行为。

南京大学张秋红、贾叙东课题组:一种用于自清洁皮肤的表面性质可调的弹性气凝胶

图4. 自清洁电子皮肤性能示意图

相关成果以“Elastic Aerogel with Tunable Wettability for Self-Cleaning Electronic Skin”发表在ACS Materials Letters上。博士研究生马文灿为论文第一作者,张秋红副教授贾叙东教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、中央高校科研业务费的资助。高性能高分子材料与技术教育部重点实验室以及配位化学国家重点实验室在本研究中给与了支持。南京大学化学化工学院胡文兵教授在导热性能测试方面给予了支持,南京大学电子科学与工程学院潘力佳教授在传感器性能测试方面给予了支持。

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