科研速递 | 理工学院朱世平和张祺团队在Advanced Materials上发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院朱世平教授和张祺助理教授在柔性压力传感领域取得新进展，相关成果以“Dielectric gels with microphase separation for wide-range and self-damping pressure sensing”为题发表于期刊Advanced Materials上。

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期刊介绍

Advanced Materials是Wiley旗下的顶级期刊，该刊发文范围涵盖材料科学领域，旨在及时、准确、全面地报道国内外材料科学工作者在该领域取得的最新研究成果。该期刊最新影响因子为29.4，JCR分区Q1。

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研究背景

柔性压力传感器具有灵敏度高、稳定性强、界面兼容性好等诸多优势，在电子皮肤、生物医学设备、人机交互、人工智能等众多领域有巨大的应用价值。然而，当前柔性压力传感易受环境干扰，物体表面的振动常常会在输出信号中产生不规则的噪声，且会缩短器件使用寿命，这已成为传感器领域的一大难题。目前常用的解决方法是结合辅助阻尼元件（例如滤波电路）来削弱振动造成的影响。然而这种方案不仅增加了设备的复杂性和成本，在某些情况下可能使信号波形失真，甚至导致信息丢失。因此，开发具有良好减振性能、能够简化设备并在复杂环境下实现高精度压力传感的传感材料具有很大的挑战性。

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研究内容

在该工作中，作者在传统的介电凝胶中引入微相分离并控制相分离的程度，使其压缩强度和阻尼效果提升，同时也维持较低的力学迟滞。使用具有高介电常数的氟代碳酸乙烯酯（FEC）作为溶剂，将疏溶剂单体（丙烯酰胺）和亲溶剂单体（丙烯酰吗啉）在溶剂中共聚即可将微相分离原位引入介电凝胶中，通过调节丙烯酰胺的质量分数可以实现对相分离程度的控制（图1）。

图1. 微相分离介电凝胶的制备和表征

随着引入丙烯酰胺质量分数的增加，凝胶的压缩强度不断提升，但随之而来的是力学迟滞的增大与介电常数的下降。因此，引入较低质量分数（6 wt%）的丙烯酰胺既可以提高凝胶的压缩强度，同时也可以保持较低的力学迟滞以及较高的介电常数（图2）。

图2. 微相分离介电凝胶的力学和介电性质

相比于传统的介电凝胶，微相分离可以使得聚合物链之间的缠结更紧密，链间摩擦更激烈，因此微相分离的引入可以使材料更好地损耗能量，凝胶的阻尼性能也得到了极大的提升（图3）。

图3. 微相分离介电凝胶的阻尼性能

基于制备得到的介电凝胶，进一步成功开发出了具有宽检测范围和自阻尼效果的柔性压力传感器（图4、图5）。该柔性压力传感器的检测下限低于1kPa，同时可检测超过1MPa的应力，在不同温度下均展现出良好的响应性能。相比基于传统介电凝胶的器件，基于微相分离凝胶的压力传感器可以在不同的振动表面上均展现出高信噪比，具有很高的实用价值。

图4. 基于微相分离介电凝胶的柔性压力传感器对不同应力的响应曲线

图5. 基于微相分离介电凝胶的柔性压力传感器的自阻尼效果展示

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研究结论

研究表明，利用组分之间的混溶性差异，微相分离被原位引入介电凝胶中，使得制备出的凝胶同时具有高介电常数、高压缩强度和优越的阻尼性能。基于微相分离介电凝胶的压力传感器具有低检测下限、宽检测范围和稳定的传感性能，并且能够有效地抑制实际场景中的振动对传感器的影响。该研究为柔性电子、生物医学设备和智能传感器等领域的研究提供了新的思路。

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作者简介

香港中文大学（深圳）理工学院朱世平教授和张祺助理教授为本文通讯作者。

朱世平，加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士、发展中国家科学院院士。浙江大学本科，加拿大McMaster大学博士。2017年7月入职港中大（深圳），任副校长、校长学勤讲座教授、深圳先进高分子材料研究院院长。朱教授长期从事高分子化工与材料教学科研工作，专长聚合反应工程，在茂金属催化烯烃聚合、可控自由基聚合、聚合过程建模及工业应用等方面做出了开创性工作。已培养硕士、博士、博士后160多名，发表SCI论文400余篇，引用2万余次，H指数80。朱教授热心科普，近年来，走进上百所高校与高中讲授《化工第一课》、《学好理工艺，货与百姓家》，并发表《化工之歌》、《建学科犹如树牌坊》等文章。

张祺，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授、助理院长。中山大学本科，浙江大学博士，加拿大McMaster大学博士后。2018年3月起任职香港中文大学（深圳）理工学院。研究方向：聚合物产品工程、智能高分子、高性能粘接材料等。已在Adv. Mat.，Nat. Commun.，Adv. Funct. Mater.，ACS Appl. Mater. Interfaces，Macromolecules等高分子材料相关国际核心期刊发表学术论文80余篇；拥有授权中国发明专利22项，授权美国专利3项。担任深圳市先进材料产品工程重点实验室副主任，兼任深圳先进高分子材料研究院技术总监。入选“未来化工学者”（2021年）、香港中文大学（深圳）校长青年学者。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）博士生张长庚。

张长庚，香港中文大学（深圳）2019级博士研究生。目前主要从事介电高分子材料、柔性传感器等研究。

供稿 | 张祺教授团队

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