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《先进功能材料》back cover论文:清华制备关键性能指标优越的柔性触觉传感器

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发表于 2020-3-24 09:02:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,国际著名材料期刊《Advanced Functional Materials》正式刊出了清华大学材料学院刘锴课题组《多用途的超灵敏、低电压驱动的非对称离子传感凝胶》的研究论文。该研究开发了一种新的柔性触觉传感机理并制备了关键性能指标优越的柔性触觉传感器,并被选为当期的back cover论文。

目前绝大多数的柔性触觉传感器主要通过基于压阻效应、电容效应、压电效应和摩擦电效应等依赖于电子行为的机制进行设计和实现,虽然能够应用在电子皮肤和可穿戴器件等领域,但与生物体内基于离子行为的传感机制仍然存在差异。为了模拟和兼容生物组织内的重要活动,研究电子器件和生物组织相互作用,并扩展柔性触觉传感器在仿生机器人和生物电子学等领域的应用,近年来对基于水凝胶材料的新型柔性触觉传感器的研究逐渐受到人们的重视。然而,这类柔性触觉传感器通常利用电容效应引起的离子运动作为压力响应机理,其压敏性能距离实际应用尚有一定差距。因此,迫切需要开发出基于新机理的高性能柔性水凝胶触觉传感器。

针对这一关键问题,清华大学材料学院刘锴副教授、西安交通大学张磊教授与清华大学材料学院伍晖副教授、化学系张莹莹副教授、物理系范守善院士等课题组紧密合作,利用类似于生物组织的水凝胶材料,设计并制备了负载有银纳米颗粒、具有非对称表面结构的丙烯酸水凝胶复合物——AISH,从而构建出基于以非对称界面化学反应和离子电流传导作为压力传感机理的高性能柔性触觉传感器。实验证明,由于凝胶非对称的表面结构设计,器件会自发产生一个很小的电动势。通过调节外电路电压,使之与器件自发产生的电动势相匹配,可以调控电路的初始电流达到一个极小的值。另外,器件的两个铜箔电极与凝胶界面处的银离子可以发生非对称的化学置换反应,当器件受到压力作用时,会极大地改变离子传导电流,使器件具有高度的灵敏性。经过试剂配比优化,该凝胶器件具备超高灵敏度、超低检测限、较低的工作电压和长使用寿命,并可以精准地记录脉搏信号和声压信号,而且可以在埋入水下时探测水面的微小波动,具有超灵敏的检测能力和宽广的适用范围。

这一工作成功制备了一类基于化学反应和离子传导新机理的高性能柔性触觉传感器件,证明了这种器件在生物电子学相关领域的实际应用价值,在获得高性能柔性触觉传感器的同时佐证了基于界面化学反应的压力传感机理的可行性。

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清华大学材料学院为该论文第一完成单位。该论文第一作者为清华材料学院访问学生、西安交通大学博士研究生丁翰元;通讯作者为刘锴副教授和张磊教授。该工作得到了国家自然科学基金、教育部霍英东基金等科学项目的支持。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909616
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