一組科學(xué)家正試圖通過制造柔性纖維和從紅酒中添加酸來啟動一場可穿戴技術(shù)革命。曼徹斯特大學(xué)一組科學(xué)家從紅酒、咖啡或紅茶中提取單寧酸，開發(fā)出更耐用、更靈活的可穿戴設(shè)備。丹寧酸的加入改善了棉花等材料的機械性能，開發(fā)了用于康復(fù)監(jiān)測的可穿戴傳感器，大大延長了設(shè)備的使用壽命。該團(tuán)隊通過提高柔性傳感器的耐用性，開發(fā)了可穿戴設(shè)備，如電容式呼吸傳感器和在極端條件下使用的人工手。
在此之前，可穿戴技術(shù)在反復(fù)彎曲折疊后會出現(xiàn)故障，由于微小的微裂紋會影響設(shè)備導(dǎo)電性，改進(jìn)這一點可以為更持久的集成技術(shù)打開大門。領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的劉旭清博士說：我們正在用這種方法開發(fā)新的靈活、透氣、可穿戴設(shè)備。本課組的主要研究目標(biāo)是開發(fā)具有柔性人機界面的舒適可穿戴設(shè)備。傳統(tǒng)導(dǎo)電材料與纖維的結(jié)合力較弱，導(dǎo)致導(dǎo)電率較低。當(dāng)紅酒、咖啡或紅茶灑在衣服上時，很難去除這些污漬。
主要原因是它們都含有單寧酸，單寧酸能牢牢吸附在纖維表面。這種良好的附著力，正是我們需要的耐用可穿戴導(dǎo)電設(shè)備。發(fā)表在《Small》上的一項新研究表明，如果沒有這層單寧酸，導(dǎo)電涂層通過反復(fù)彎曲和彎曲，很容易與織物表面分離，因此導(dǎo)電率比傳統(tǒng)導(dǎo)電材料樣品低數(shù)百倍，甚至數(shù)千倍。研究小組使用了市面上可以買到的單寧酸，但也試圖將這種纖維直接浸入紅酒、紅茶和黑咖啡溶液中，發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果。
這種新方法總體影響可能是降低可穿戴技術(shù)的價格，同時提高舒適度和魯棒性。利用天然材料提高的導(dǎo)電性，可以讓技術(shù)開發(fā)人員使用更舒適的面料，比如棉花，來取代僵硬、不舒服的尼龍。該技術(shù)還可以將電路直接打印到衣服表面，制成舒適、靈活的電路板。由于單寧酸吸附能力強，表面導(dǎo)電涂層具有良好的耐久性，所研制的可穿戴設(shè)備在彎曲、折疊、拉伸后仍保持優(yōu)異性能。靈活性在可穿戴電子產(chǎn)品中起著至關(guān)重要的作用。
由于金屬鍍層中存在大量的微裂紋，反復(fù)彎曲往往導(dǎo)致導(dǎo)電率急劇下降，這對柔性導(dǎo)體是不利的。新研究分別提出了基于導(dǎo)電紡織品的觸覺傳感器和基于金屬涂層聚氨酯海綿的彎曲傳感器，它們具有更好的靈活性，可用于監(jiān)測人體觸摸和手臂運動。單寧酸是一種傳統(tǒng)的媒染劑，它被引入到各種柔性基體上，為催化劑吸附和后續(xù)的化學(xué)沉積(ELD)提供了一個完美平臺。通過對化學(xué)沉積金屬的成核、生長和結(jié)構(gòu)了解。
可以在納米尺度上控制金屬納米顆粒的表面形貌，且只需簡單地改變電鍍時間。當(dāng)化學(xué)鍍時間為20min時，as‐制得的導(dǎo)電纖維的歸一化電阻(R/R0)僅為1.6，在相同條件下(R/R0≈5)，遠(yuǎn)低于60min ELD試樣。這是因為納米顆粒之間有大量未填充的間隙，防止了金屬薄膜在彎曲下開裂。重要的是，開爾文問題與沉積的導(dǎo)電涂層有關(guān)，因為金屬電池具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這是解釋導(dǎo)電率和柔韌性關(guān)系的理論基礎(chǔ)。
博科園｜研究/來自：曼徹斯特大學(xué)
參考期刊《Small》
DOI: 10.1002/smll.201902440
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