东南大学赵远锦教授课题组：可应用于柔性电子领域的仿生螺旋藤蔓微导线

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2019年6月19日，东南大学生物电子学国家重点实验室赵远锦教授课题组基于共轴毛细管微流控纺丝技术制备出包裹离子液体的螺旋仿生微导线，进而能够构成柔性可拉伸导电系统。受植物螺旋藤蔓启发，制备得到的包裹离子液体的螺旋微导线壳层为聚偏氟乙烯（PVDF），核层为具有导电性的离子液体，其螺旋形貌可通过调节流体流速实现调控，因而制备出的不同形貌的导线能够表现出不同的导电特性，并可进一步构建具有不同导电性质的柔性可拉伸系统，应用于柔性电子领域。该项研究以题为“Microfluidic Generation of Microsprings with Ionic Liquid Encapsulation for Flexible Electronics”发表在Research上（Research, 2019, 6906275, DOI: 10.34133/2019/6906275）。

研究背景

柔软且可以拉伸的导线可以如人体中的血管网络一般传导电子，是软体机器人、可穿戴设备、可变形设备等柔性电子系统中的重要组成部分。目前已有研究将金属、半导体、碳材料、液体金属、离子液体等做成导线材料与弹性较好的高分子材料相结合制备出柔性电子器件的例子。

软体机器人（图片来源 Advanced Materials）

与传统意义上较为坚硬的导电材料相比，可拉伸形变的导体在感知和传导包括拉伸、弯曲、扭转等机械形变时具有明显的优势。在这之中，离子液体由于其不易挥发、低表面张力、相对较低的杨氏模量和良好的形变特性得到了广泛的应用。然而，目前离子液体的集成方法主要通过一系列的通道构建、充填等步骤来实现，耗时耗力，并且无法实现尺寸较小的操作。同时，目前开发的离子液体柔性器件结构较为简单，在进一步构建复杂三维结构的柔性系统中的应用有所限制。因此，本研究受自然界中的植物螺旋藤蔓启发，基于共轴微流控纺丝技术开发出了包裹离子液体的螺旋纤维作为微导线应用于柔性电子的导电研究中。

研究进展

东南大学赵远锦教授团队受自然界中具有良好形变和拉伸性并且能够实现营养物质运输的植物螺旋藤蔓启发，首次将导电流体与微流控结合，使用共轴组装的玻璃毛细管微流控装置一步连续制备壳层为PVDF，内部包裹有离子液体1-乙基-3-甲基四氟硼酸咪唑（EMIMBF4）的螺旋纤维。这种柔软的微导线经过进一步的排列可以包裹在柔性薄膜中，如皮肤般贴附在人体表面，可在不同部位不同幅度的运动中依然保持较为稳定的导电性（图1）。

图1 用于构建柔性导电薄膜的螺旋微导线制备示意

在微流控制备过程中，由于PVDF的相转化速度极快，纤维的壳层能够迅速形成从而连续包裹内部离子液体。在这个过程中，能够首先制备出具有核壳结构的直线纤维。装置运行过程中，随着流体的速度与外部溶液差异增大，具有螺旋结构的核壳纤维开始形成。通过调节流体流速，纤维的壳层厚度和螺距可以实现精确调控（图2）。

图2  导电纤维的微流控制备及表征

制备得到的不同形貌的导电纤维其基本电学特性与电阻公式相符，即纤维的电阻与长度呈正比与横截面积呈反比。值得注意的是，在拉伸情况下，由于螺旋形貌具有较大的形变空间，螺旋导电纤维会首先经历一阶段直线纤维不会经历的电阻几乎不变的过程，这种情况在螺距小的纤维中更加突出。利用这一电阻变化特性可以实现螺旋导线在一定程度形变时稳定导电的功能。此外，在排列整齐的螺旋导线外周滴加室温固化的Eco-Flex硅胶，可以制备出透明且柔软的薄膜材料。这种材料由于其具有良好的循环拉伸特性，并且内部包裹的纤维不会对于整体的拉伸有所影响，在整个拉伸过程中保持较为稳定的电阻变化。并且，在多次拉伸情况下电阻变化仍然能基本保持稳定（图3）。

图3 柔性导电薄膜的制备及拉伸导电性能表征

进一步地，在实际应用中，这种柔性导电薄膜能方便的贴在关节部位表面对于不同身体部位的活动有所响应（图4）。当手指、手腕和手肘不同频率下弯曲不同程度时，柔性薄膜的电阻在保持整体稳定的同时会随运动出现极小范围内不同程度的变化。这种特性大范围内保持电阻稳定同时小范围内电阻对于不同运动幅度和运动频率具有响应的特性，使制备所得导电薄膜在对于灵敏度要求较高的系统或设备中起到减小背景信号干扰、提高信噪比的作用。证明了这种包裹有导电微弹簧的柔性薄膜具有很好的实际应用前景。在运动时依然保持稳定的电子传导，在对于灵敏度有较高要求的系统中能够减小背景信号的干扰。

图4 包裹导电微型弹簧的薄膜在不同身体部位活动中的实时电阻变化

未来展望

赵远锦教授团队通过将具有导电性的离子液体与微流控技术相结合，实现了一步制备仿螺旋藤蔓的导线。导线的形貌和基本导电特性能够通过流体速度控制调节。将制备所得导线包裹于弹性硅胶薄膜中，能够实现不同身体部位运动时电阻在小范围内的灵敏变化同时在大范围中保持稳定。虽然制备所得导电纤维与传统导线相比电阻较大，但是通过进一步的材料选择和制备工艺优化，能够减小今后制备出的导电纤维电阻。因此，这一研究同时增加了微流控技术的核心价值，并且为电子皮肤中的柔性导体开发提供了新的研究思路。

论文链接：

https://spj.sciencemag.org/research/2019/6906275/

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