抗液体干扰以及细菌粘附的柔性应变传感器制备新策略

应变传感器的研究开发促进了人工智能、表皮微电子机械系统、可植入生物传感器和生物诊断等领域的发展。为了进一步促进应变传感器的实际应用,考虑其在使用过程中的稳定性尤为重要。尤其在一些恶劣环境,如水、微生物、酸性、碱性等条件下可能导致器件导电性和电子传感不稳定,从而影响应变传感器性能,缩短其使用寿命。例如,微生物水环境中的细菌会附着在传感器表面,腐蚀导电层,从而干扰传导通路。水可以渗透到传导通路,干扰传感性能。为了避免液体环境对传感器性能影响,延长其使用寿命,超疏水传感器表面的构筑是一个很好的策略。由于液体与超疏水表面之间的接触面积很小,液体很难渗透到传感器的导电层中。但以往报道的超疏水传感器主要集中在设计应变传感器的超疏水功能,而如何设计抗液体干扰的应变传感器以及抗液体干扰的机理研究等方面,至今未见报道。

抗液体干扰以及细菌粘附的柔性应变传感器制备新策略

近日,广州大学林璟副教授、北京师范大学刘楠教授以及美国田纳西大学郭占虎副教授合作提出了一种制备抗液体干扰以及细菌粘附的柔性应变传感器的新策略。作者通过构筑具有独特的含氟微/纳米多级结构的F/Ag/MWCNG/G-PDMS(FAMG)应变传感器,使液体在传感器表面处于Cassie-Baxter润湿状态,表现出超疏水性及自清洁功能。该传感器在应变传感测试中表现出超稳定的抗液体干扰性,同时具有灵敏度高,应变范围宽,响应时间快等优点。作者还深入探讨了Cassie-Baxter润湿状态在应变传感中抗液体干扰的作用以及应变传感器灵敏度高、应变范围宽的原因。此外,传感器表现出优异的超疏水性和水下疏油性,使其具有较好的抗液体干扰以及抗细菌粘附性能。最后,将该传感器应用于电子鹰在户外和人工降雨时的翅膀运动监测以及复杂环境下人体运动监测,表明其在可穿戴电子设备领域的潜在应用价值。

该工作以题目为“Anti-liquid-Interfering andBacterially Antiadhesive Strategy for Highly Stretchable and UltrasensitiveStrain Sensors Based on Cassie-Baxter Wetting State”发表在《Advanced Functional Materials》 (Adv. Funct. Mater. 2020,2000398)上。

 

【图文解析】

抗液体干扰以及细菌粘附的柔性应变传感器制备新策略
图1。抗液体干扰的应变传感器制备策略

作者首先制备了常规的MWCNT/G-PDMS应变传感器,并探究不同液滴滴入器件表面对传感器电阻的影响。结果显示,当液体放置在传感器表面,电阻会减小。虽然石墨烯和MWCNT使得MWCNT / G-PDMS应变传感器表面具有一定疏水性,但此情况下,应变传感器上的液滴可以认为处于Wenzel润湿状态,液滴与应变传感器的导电层之间存在较大的接触面积。并且液体会逐渐渗透拉伸过程生成的裂纹,随着拉伸量的增加,接触角明显减小。因此当液滴在传感器表面时,电阻会减小,从而影响传感器性能。于是,作者基于MWCNT/G-PDMS,通过构建含氟及银纳米颗粒的微/纳米多级结构(F/Ag/MWCNG/G-PDMS (FAMG)),设计了FAMG应变传感器,使得液滴在传感器表面呈Cassie-Baxter润湿状态。在这种情况下,液滴漂浮在能够防止液滴与导电层接触的空气层上,不会有液体渗透到导电膜中影响电阻,从而实现对液体干扰的抵抗。同时,利用APTES作为导电层与衬底之间、相邻导电层之间的粘接剂,使得形成中间分离层的终端断裂和滑移,从而能够使该FAMG 应变传感器获得超高灵敏度以及较宽的应变范围。

抗液体干扰以及细菌粘附的柔性应变传感器制备新策略
图2.FAMG应变传感器的传感性能及抗液体干扰性

FAMG应变传感器的应变传感及抗液体干扰性能如图2所示。作者通过在传感器表面滴入不同的液滴,考察了其抗液体干扰性。结果显示,液体对传感器电阻影响较小,说明传感器具有良好的抗液体干扰性能。同时,此结构中粘结层的构筑也使得传感器具有超高的灵敏度(GF=2059, 160%-180%应变)以及超快的响应时间(150 ms)。通过循环测试发现,传感器表现出较高的重复性以及良好的循环稳定性,使得其在实际应用中具有极大的应用潜力。

抗液体干扰以及细菌粘附的柔性应变传感器制备新策略
图3.FAMG应变传感器抗液体干扰及传感机理研究

为了进一步阐明传感器在应变传感过程中防液体干扰的机理,作者通过建立应变传感模型以及相应扫描电镜结果进行分析。传感器结构模型如图3a所示,包括和基底表面由于硅氧烷和羟基作用紧密结合APTES底层, APTES层与相邻的MWCNT/G紧密结合形成的中间层(APTES/MWCNT/G),无粘结的MWCNT/G核心层以及 F/Ag/MWCNT/G多级结构外层覆盖层。当没有施加应变时,传感器表面呈现一个没有裂纹的褶皱表面。由于氟碳链的低表面能与Ag/MWCNT/G微/纳米结构的协同作用,可以看到褶皱缝隙中填充了一层空气层,此时FAMG应变传感器处于超疏水的Cassie-Baxter润湿状态,液滴悬浮在空气层中,阻碍了液滴与导电层的接触,使液体无法渗透到导电层中。将FAMG应变传感器拉伸至60%时,传感器表面出现微裂纹,但由于多壁碳纳米管形成的微桥和中间分离层的滑移,核心层中的石墨烯相互重叠,导电通路保持连接。当FAMG传感器应变增加到110%,核心层中大部分未键合的重叠石墨烯完全分离,尽管裂纹间隙中存在桥接,一些MWCNTs开始分离。随着进一步拉伸,MWCNTs的微桥接逐渐减少。中间分离层(APTES/MWCNT/G)由于拉伸过程中牵引力的增加而发生滑移,使得粘结重叠的石墨烯分离导致裂纹快速扩展,从而电阻迅速增加。由于FAMG应变传感器表面始终保持Cassie−Baxter润湿状态,尽管施加了很大的压力,但液体并没有干扰传感器。因此, FAMG应变传感器的电阻变化是由裂纹数量和裂纹面积的增加所主导的。而传感器抗液体干扰性能则与超疏水的Cassie -Baxter润湿状态密切相关。

为了展示FAMG应变传感器在柔性可穿戴电子设备中的潜在应用,作者将其用于电子鹰在户外和人工降雨时的翅膀运动监测以及复杂环境下人体运动监测(图4)。结果显示,当用于电子鹰在户外和人工降雨时的翅膀运动监测时,传感器显示稳定的电阻变化,表明其性能稳定。而通过在细菌液滴入情况下检测人体常规运动,结果显示,传感器具有较好的抗液体干扰以及细菌粘附性能,使得其应用于复杂环境中对细微和剧烈运动的实时传感具有较大的应用潜力。

抗液体干扰以及细菌粘附的柔性应变传感器制备新策略
图4.抗液体干扰和细菌粘附的可穿戴式FAMG应变传感器的应用研究

综上所述,本文提出了一种制备耐液体干扰和细菌粘附的柔性可穿戴应变传感器的新策略,并证实了其在复杂环境中的应用潜力。该传感器不受多种液体的干扰并且具有极高的灵敏度以及稳定性。同时,传感器表现出优异的超疏水性和水下疏油性,对防止液体和细菌粘附对应变传感的干扰具有重要作用。其作为可穿戴电子设备成功应用于人工降雨和细菌飞沫中人类和电子鸟的一系列运动监测。因此,这种抗液体干扰和细菌粘附的策略为设计适用于复杂环境的柔性、可穿戴式应变传感器提供了一条新途径。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000398

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