柔性電子器件在健康監(jiān)測(cè)、傳感皮膚、植入式器件等領(lǐng)域發(fā)揮著不可忽視的作用，其中，水凝膠由于其生物相容性、柔韌性以及人體組織般的機(jī)械性能而被認(rèn)為是一種有吸引力的候選材料。通過(guò)整合導(dǎo)電填料，如碳納米管（CNT）、石墨烯、金屬納米線(xiàn)和導(dǎo)電聚合物，這些水凝膠可以被賦予更好的電性能。
此外，為了很好地匹配皮膚和設(shè)備之間的相互作用，這些導(dǎo)電水凝膠中的一些還通過(guò)添加天然和合成粘合劑而具有粘合性能。盡管取得了許多進(jìn)展，這些水凝膠由于其脆弱的性質(zhì)，在保持良好的穩(wěn)定性方面仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，不受控制的機(jī)械損傷會(huì)使其進(jìn)一步的實(shí)用價(jià)值受到限制。因此，對(duì)于柔性電子器件來(lái)說(shuō)，具有優(yōu)異的粘附性、自愈合能力以及雙重信號(hào)報(bào)告功能的穩(wěn)定的水凝膠，仍然是人們非常期待的。
最近，東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦教授在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了題為“Bio‐Inspired Stretchable, Adhesive, and Conductive Structural Color Film for Visually Flexible Electronics”的文章，他們從貽貝的粘附特性和變色龍的變色機(jī)理出發(fā)，提出了一種新穎的碳納米管-聚多巴胺（PDA）和彈性聚氨酯（PU）聚合物雜化的結(jié)構(gòu)色薄膜，用于可視化柔性電子。他們將導(dǎo)電CNTs-PDA填料引入彈性PU反蛋白石支架中，由于PU層具有良好的柔韌性和反蛋白石結(jié)構(gòu)，使其具有穩(wěn)定的拉伸性能和明亮的結(jié)構(gòu)色彩。此外，由于PDA上含有鄰苯二酚基團(tuán)，使薄膜具有較高的組織粘附性和自愈能力，CNTs的引入使薄膜具有良好的導(dǎo)電性。該薄膜在拉伸過(guò)程中具有變色和機(jī)電特性，可作為雙信號(hào)柔性人體運(yùn)動(dòng)傳感器，用于實(shí)時(shí)彩色傳感和電信號(hào)監(jiān)測(cè)。這些特性表明，混合導(dǎo)電結(jié)構(gòu)色薄膜可以提高柔性電子學(xué)的實(shí)用價(jià)值。
圖文導(dǎo)讀
1.雜化膜的構(gòu)筑與性能
首先通過(guò)垂直沉積方法從二氧化硅納米粒子的自組裝中獲得膠體晶體模板，然后通過(guò)復(fù)制模板，制備了PU反蛋白石結(jié)構(gòu)的水凝膠膜。為了獲得導(dǎo)電性好的可拉伸聚氨酯薄膜，將與CNTs-PDA互穿的聚丙烯酰胺（PAAm）引入反蛋白石支架的空隙中，其中CNTs-PDA作為導(dǎo)體，而丙烯酰胺（AM）單體在真空環(huán)境下被強(qiáng)制滲透到支架的納米孔中并聚合形成薄膜的基底。
由于具有有序的反蛋白石納米結(jié)構(gòu)，PU水凝膠薄膜具有鮮艷的結(jié)構(gòu)色，這是由光子帶隙（PBG）特性決定的，在光子帶隙中，同一頻率的光被禁止傳播和選擇性反射。雜化膜還具有碳納米管封裝的導(dǎo)電性能。碳納米管體積百分比增加的薄膜電阻較小，表明具有更好的導(dǎo)電性。在拉伸過(guò)程中，復(fù)合膜不僅表現(xiàn)出PU反蛋白石層的顏色變化，而且還表現(xiàn)出導(dǎo)電區(qū)的電阻變化。顏色變化可以歸因于衍射平面的面間距d逐漸減小。此外，由于PU聚合物的彈性，隨著雜化膜的拉伸，電阻的變化是可逆的。該復(fù)合水凝膠膜具有視覺(jué)信號(hào)響應(yīng)和快速可逆的導(dǎo)電性響應(yīng)的雙信號(hào)特性。
利用PDA的優(yōu)點(diǎn)，雜化膜還具有優(yōu)異的附著力和自愈性，在實(shí)際應(yīng)用中可促進(jìn)皮膚與膜的相互作用。即使在逐漸彎曲的情況下，也能緊密地結(jié)合在豬皮表面。與豬皮膚的粘附強(qiáng)度為0.84N cm-2。將兩種綠色和紅色結(jié)構(gòu)色的薄膜組合后，重塑的薄膜經(jīng)過(guò)2小時(shí)的自發(fā)自愈合，能夠抵抗外力的作用，并表現(xiàn)出變色現(xiàn)象。
2.實(shí)際應(yīng)用
通過(guò)使用模板成型方法，可以容易地以不同的模式設(shè)計(jì)薄膜，例如魚(yú)、六葉花和四瓣三葉草。在這一過(guò)程中，首先產(chǎn)生具有不同結(jié)構(gòu)色的雜化膜?；谏鲜鲎杂匦?，這些片段可以粘合在一起，形成一個(gè)完整的物體。這些復(fù)雜的圖案薄膜使其成為不同領(lǐng)域的功能材料。
考慮到其導(dǎo)電性、粘附性、自愈合性和結(jié)構(gòu)顏色傳感能力，該復(fù)合膜有望在柔性電子領(lǐng)域得到應(yīng)用。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，通過(guò)將薄膜分別直接固定在手指、手腕和肘部來(lái)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。在手指運(yùn)動(dòng)的情況下，當(dāng)彎曲角度逐漸增大時(shí)，薄膜的結(jié)構(gòu)色由橘紅色過(guò)渡到綠色，即使手指連續(xù)運(yùn)動(dòng)也顯示出良好的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)傳感性能。同時(shí)，記錄了實(shí)時(shí)電阻變化，隨著手指的變形，薄膜的電阻值有相應(yīng)的增大或減小。該薄膜在動(dòng)態(tài)活動(dòng)中表現(xiàn)出變色能力和穩(wěn)定靈敏的導(dǎo)電性，在實(shí)時(shí)彩色傳感和電信號(hào)監(jiān)測(cè)的柔性人體運(yùn)動(dòng)傳感器中具有潛在的應(yīng)用前景。
亮點(diǎn)小結(jié)
綜上所述，受天然生物的啟發(fā)，作者在PU反蛋白石支架中引入CNTs-PDA填料，研制出一種新型彈性高分子導(dǎo)電水凝膠雜化結(jié)構(gòu)色膜。薄膜具有穩(wěn)定的拉伸性能和鮮艷的結(jié)構(gòu)色。此外，碳納米管的存在使薄膜具有良好的導(dǎo)電性，并利用PDA的優(yōu)點(diǎn)，使薄膜具有優(yōu)異的附著力和自愈合性能。由于結(jié)構(gòu)色的響應(yīng)性，所制備的薄膜具有變色能力，可作為雙信號(hào)柔性人體運(yùn)動(dòng)傳感器，用于實(shí)時(shí)彩色傳感監(jiān)測(cè)和電信號(hào)監(jiān)測(cè)。
全文鏈接：
