南京大学潘力佳教授、施毅教授团队《Nat. Commun.》：基于电纺自组装微金字塔阵列的高性能、高舒适性贴肤传感器件 |
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贴合皮肤器件在医疗保健、行为监测、个人防护、自供电电子和人机互动等方面显示出巨大的应用潜力。随着这些领域的发展，贴合皮肤器件被进一步要求实现舒适的长期使用，并减少感觉干扰与触觉损失。为了实现贴合皮肤器件的舒适性，研究人员利用静电纺丝技术制备超薄、超轻、透气的功能膜，最大限度地减少器件粘贴对皮肤造成的触觉干扰与使用不适感。然而，受限于静电纺丝的随机沉积方式，目前的无感式功能膜表面平坦，具有较差的光、热、力、电性能，导致器件性能较差，限制了其在健康监测、动作传感、能量收集、体表降温等诸多领域的应用。因此，开发新型微结构材料，提高无感型器件的性能表现成为相关领域科学家所面临的重大挑战。
图1. 材料结构设计图. 最近，南京大学潘力佳教授和施毅教授研究团队研制出一种电纺自组装微金字塔阵列膜，该膜具有超薄、超轻、透气的结构及良好的光、热、力、电性能，赋予舒适型贴合皮肤器件在日间辐射制冷、压力传感和生物能收集等领域优良的性能表现（图1）。在一个标准太阳光强度（1 kW m–2）下，金字塔结构具有优秀的辐射制冷性能，该结构织物可以将皮肤周围的温度降低约4 ℃。所研制的压容-摩擦电复合传感器兼具高灵敏度和快响应时间。灵敏度达到19 kPa–1、检出限低至0.05 Pa、响应时间快至0.8 ms。EMPA生物机械能收集器的能量转化效率达到42%（图2）。得益于上述性能优势，EMPA器件适用于对电子竞技运动员、司机等人员进行长期的健康、情绪及压力监测，自供电动作监测及个人热辐射防护而不影响相关工作人员的正常操作，位于指尖的传感器可以在动作操作压力检测的同时获得人员的脉搏信息。
图2. EMPA膜在日间辐射制冷、高灵敏压力传感和高效生物能收集方面的应用. 该工作为开发具有卓越性能和无感性的下一代贴合皮肤器件提供了一种通用且可升级的策略，满足了贴合皮肤器件在诸多场景中严苛的应用需求。南京大学电子科学与工程学院博士生张嘉汉为第一作者，潘力佳教授和施毅教授为论文的共同通讯作者，南京大学化学化工学院的张秋红副教授、贾叙东教授及内蒙古科技大学的杜金花教授为本工作的相关测试和分析提供了帮助与支持。该研究得到了国家重点研发计划、国家杰出青年基金、南京市杰出科技人才计划的支持。
文章链接：“Jia-Han Zhang, Zhengtong Li, Juan Xu, Jiean Li, Ke Yan, Wen Cheng, Ming Xin, Tangsong Zhu, Jinhua Du, Sixuan Chen, Xiaoming An, Zhou Zhou, Luyao Cheng, Shu Ying, Jing Zhang, Xingxun Gao, Qiuhong Zhang, Xudong Jia, Yi Shi & Lijia Pan, Versatile self-assembled electrospun micropyramid arrays for high-performance on-skin devices with minimal sensory interference, Nature Communications, 2022, 13, 5839. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33454-y |
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