- 河海大學教師團隊在離子柔性傳感器領域取得進展
- 來源：未來網教育看點 發表于 2022/11/14
Nafion Electrodes with High Stability for Self-powered Ionic Flexible Sensors”的研究論文。該工作受生物毛發發根結構啟發，通過集成噴涂和電鍍Au工藝，在離子聚合物基體膜上生成具有強牢固性、低表面電阻、高穩定性的仿生柔性電極，以制備具有感知應變、壓力、濕度的多功能離子柔性傳感器，有效解決了離子柔性傳感器因電極/基體失配導致損壞進而失效的技術難題。
皮膚是人體的感覺器官，可以感知壓力、應變、溫度和濕度。通過模仿人類皮膚的觸覺感知功能，基于離子遷移和離子重分布機制的離子柔性傳感器得到了飛速發展。然而，目前設計的離子柔性傳感主要技術挑戰之一在于柔性電極與離子聚合物基體膜難以有效結合，可能會導致離子柔性傳感器因電極開裂、脫落而失效。受生物毛發發根結構啟發，研究團隊提出了一種簡便、有效率、穩定的方法在離子聚合物基體膜表面形成面向離子柔性傳感器使用的Ag NWs@Au嵌入式柔性電極，該電極具有三個功能層，包括基質層、Ag NWs嵌入層和Ag NWs@Au層，其分別類似于毛發結構中的表皮層，發根嵌入層，發絲層。這三個功能層的協同作用使Ag NWs@Au嵌入式柔性電極在惡劣環境下依然具有穩定的耐腐蝕性、低表面電阻、強抗表面磨損和與基體的強粘附力。基于Ag NWs@Au嵌入式柔性電極的離子傳感器不僅能夠實現力電感知（應變、壓力），而且能夠實現濕度感知。而基于其它電極的離子柔性傳感器只能實現單一環境參數的感知。與此同時，對人體呼吸進行監測，實驗表明，該離子柔性傳感器能夠有效感知人體呼吸頻率及幅度。經過兩個月后，該傳感器仍然具有良好的濕度感知能力。
該研究工作是團隊近期關于離子柔性器件相關研究的新進展之一。近年來，團隊對離子柔性器件（包括離子柔性傳感器和離子柔性驅動器）的機理、制備、性能改進及模型應用做了一系列的探索。在制備工藝方面，團隊提出一種制備枝狀電極界面的新工藝，并實現枝狀電極的可控生長（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30258），闡明了含水量對離子驅動器性能的影響規律，提出了電極優化方法（Electrochim Acta 2014, 129, 450-8）。在傳感性能探究方面，團隊揭示了自供電離子聚合物傳感器濕度感知機理，實現了電壓、電阻、電容等多物理參數感知模式（Sensors & Actuators: B. Chemical 2021, 345, 130421和RSC Adv. 2020, 10, 27447-27455），并闡明了接觸面積對離子傳感器壓力傳感信號的影響（Smart Mater. Struct. 2022, 31, 065013）；同時，通過磁場、微結構實現對自供電離子聚合物傳感器應變傳感性能110%的提升（Smart Mater. Struct. 2021, 30 , 065013和Sensors 2019, 19, 2104）。在應用方面，團隊研發了可用于醫療手術和人工心臟的活性導管和微泵樣機（Appl Bionics Biomech, 2018, 2018:4031705）及離子變色皮膚（Advances in Mechanical Engineering. 2022; 14 (8)），并開發了一種基于離子簇團聚機理的球形變剛度軟體抓手（Soft Robotics 2021）。此外，團隊還系統總結了離子柔性傳感器在傳感機理、組成、結構設計及應用方面的新研究進展（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110417）。
論文作者為河海大學機電工程學院博士生趙春，通訊作者為河海大學機電工程學院王延杰教授。來自西安交通大學、合肥工業大學、淮北師范大學、英國斯旺西大學等高校多名學者參與了該項研究工作，該項工作得到了國家自然科學基金（51975184和52105573）、國家重點研發計劃（2020YFB1312900）等項目的支持。（通訊員：河海大學 張春平）
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