纳米能源所王中林院士、王杰研究员和化学所董侠研究员合作 Nano Energy：用于触觉和非接触式传感的超薄、透明自修复电子皮肤

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轻薄、透明以及自修复功能的电子皮肤可极大地促进可穿戴电子设备、柔性显示器以及软体机器人的多功能发展。然而，由于对模具的依赖性以及封装问题，目前大多数基于液态离子或者水凝胶材料制备的自修复柔性电子器件的厚度大约在500 μm 到几毫米。同时，一些自修复材料或者电极材料本身的不透明性限制了柔性电子器件在高透光需求场景的应用。开发同时具有轻薄、高透明度和高稳定性的自修复电子皮肤仍然是一个挑战。

近期，中科院北京能源与系统研究所王杰研究员课题组与苏州大学能源学院特聘教授刘瑞远以及中科院化学研究所来悦博士合作设计了一个可用于自驱动触觉和非接触式传感的超薄（<10 μm）、高透明（>92%）的自修复电子皮肤。通过将软动态键锁定在硬链聚合物基质中均匀控制弹性体，从而实现弹性体快速自修复功能，并获得近100%的透明度和优异的机械性能。另外，在弹性体中引入无定形微相分离材料和透明导电聚合物成功制备出厚度低至几微米的独立式超薄超透明电子皮肤。基于摩擦起电和静电感应效应，3 μm厚的电子皮肤器件在人体运动的条件下可产生26 V的电压，并且经过45,000次半径为0.5 mm的弯曲性能测试和146,000次工作循环测试后，还能继续保持优异的电学性能。最终，这项研究设计的超薄、高透明度、快速自修复性能和高机械柔韧性电子皮肤初步并且首次实现了基于电子皮肤的非接触式智能操控手机指令，为智能人机交互提供了独特的未来应用场景。工作以“Ultrathin, transparent, and robust self-healing electronic skins for tactile and non-contact sensing”为题发表在国际著名期刊《Nano Energy》上（Nano Energy, 2022, 107056）。文章第一作者刘瑞远现为苏州大学能源学院特聘教授，共同一作为中科院化学研究所来悦博士以及中科院北京能源与系统研究所李绍欣博士，通讯作者为中科院北京能源与系统研究所王中林院士，共同通讯作者为中科院北京能源与系统研究所王杰研究员，中科院化学研究所董侠研究员。研究得到科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和北京市科委的支持。

图1 高度透明自修复热塑性弹性体的合成。（a）自修复弹性体的合成示意图和分子结构；（b）弹性体通过动态二硫化物和高于玻璃化转变温度（T_g）的强氢键相互作用进行自我修复；（c）不同膜厚弹性体的透射光谱；（d）自修复热塑性弹性体的实物照片；（e）厚度为3微米的弹性体薄膜的横截面扫描电子显微镜图像。图2 热塑性弹性体的性能表征和自修复功能展示。（a）弹性体的原子力显微镜（AFM）图像；（b）二硫键比例为8%的弹性体在50℃下被切割后，不同修复时间段对应的应变-应力曲线；（c）二硫键比例为3%的弹性体在拉伸应变为0%和2600%下的照片；（d）厚度为2 mm的弹性体切割前和愈合后在50℃条件下经过5分钟时间的光学图像。（薄膜的顶部用墨水标记）；（e）两片弹性体（粉红色和蓝色）在愈合后被拉伸和弯曲的照片。图3 超薄、超透明自修复摩擦纳米发电机（TENG）的设计、光学和电学特性。（a）附在手腕上的摩擦电子皮肤的照片。插图是完美贴合手腕皱纹的电子皮肤的放大图像；（b）超薄TENG横截面的扫描电镜图像，其中聚苯乙烯纳米球（直径，360 nm）嵌入弹性体层和PEDOT:PSS之间以增强触觉灵敏度。插图是没有覆盖纳米球的扫描电镜图像。比例尺：500 nm；（c）厚度为3μm的TENG经过自修复前后的透射光谱。在可见光范围（400-800 nm）内记录了超过92%的平均透射率。插图是在印刷彩色图案上TENG的照片；（d）TENG与PTFE/Cu在接触分离模式下产生的电压（面积：4 cm2；频率：1 Hz；力：5 N）。插图是TENG的示意图和工作原理，其中自修复弹性体用作摩擦电层，PEDOT:PSS 用作集电器；（e）TENG以半径0.5 mm弯曲45,000次后电学性能的结果；（f）TENG经过146,000次循环的运行稳定性测试；（g）TENG在机械损伤前和修复后的输出电压；（h）机械力对有和没有纳米球TENGs输出电压的影响；（i）基于静电感应效应，不同分离距离下TENG产生的电压。图4 基于TENG的非接触式手势控制应用展示。（a）非触控手势控制系统的示意图及流程；（b）超薄TENG贴在手机屏幕保护膜前后的照片；（c）在划伤前和修复后，在屏幕上方约2 cm处戴手套挥手时从屏幕发出的感应电压信号；（d）在通话时在屏幕上方挥手；（e）挥手后接听电话。

原文链接： 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522001409?via%3Dihub

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