纳米能源所王中林院士、吴治峄研究员《Adv. Funct. Mater.》：透汗、可生物降解、透明的自驱动壳聚糖基电子皮肤

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对电子皮肤的独特特性的追求激发了材料创新，包括拉伸性、机械耐久性、生物降解性和透气性等。传统的塑料或弹性体基材，由于其机械不匹配性，长期使用不透气性、不适感和不可降解性，极大限制了它们的实际应用。因此，天然可再生的可持续能源材料，如多糖和蛋白质，因其非石油来源、环境和生物友好性而备受关注。壳聚糖是一种天然、生物相容、可生物降解的聚合物，也是仅次于纤维素的第二大天然聚合物。降解可控，透明度高，而良好的成膜性能使CS膜可应用于柔性、透明以及瞬态可穿戴电子设备。然而，纯壳聚糖膜在电子皮肤中的应用仍然是一个重大挑战，由于其较差的机械拉伸性和不渗透性。本文中，通过添加不同含量的甘油，改善了壳聚糖膜的性能，使其能够满足电子皮肤的应用需求。 此外，电子皮肤的另一个重要组成部分是电极，使其同时具有良好的导电性、超薄厚度、高拉伸性、透明度、机械稳定性和透气性，是非常重要的且很有挑战性。作者展示了一种简单、高效且可规模制备金纳米纤维电极的方法，成功制备了多功能的金纳米纤维电极。其透明度可以达到86%，在拉伸80%的状态下导电率为25.8 Ω sq⁻¹ 。与此同时，由于纤维网络的交错结构和众多的微纳孔洞，能够保证电极的透气舒适性，显示了其在可穿戴电子方面的应用前景。 最终，设计了一种基于摩擦纳米发电机的多功能自驱动电子皮肤，灵敏的感知功能和多样的实用功能被很好地集成到该电子皮肤中，其在绿色电子设备、透明器件和舒适可穿戴产品等领域具有广泛的应用前景。 该成果以“Sweat-Permeable, Biodegradable, Transparent and Self-powered Chitosan-Based Electronic Skin with Ultrathin Elastic Gold Nanofibers”发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。彭晓博士、董凯副研究员和张宇飞博士为共同第一作者，王中林院士和吴治峄研究员为共同通讯作者。 
图1壳聚糖（CS）膜的制备工艺及性能。a）CS膜制造工艺示意图。b）CS膜的弹性。c）500 g负载下CS膜的俯视图和前视图。d）室外和室内的透明CS膜。e）CS膜的微裂纹结构图。f）不同甘油含量的CS膜的透射率。g）不同甘油含量的CS膜的红外分析。h）不同甘油含量的CS膜的应变-应力曲线。（i）CS膜接触角。j）不同薄膜汗蒸气渗透性试验。k）不同薄膜的水蒸气透过率。
 
图2 金纳米纤维（Au NFs）电极的制备和表征。a）制备工艺流程。b）CS/Au NFs放在手背上照片。c 蝴蝶图案的Au-NFs。 d、e）Au-NFs的SEM图像。f）CS/Au NFs膜的横截面形态和EDS。g）不同纺丝时间Au-NFs的透明度。h）CS膜、CS/Au-NFs和CS/Au-NFs/CS的透明度。i） 不同应变下的电阻变化率。 
图3 电子皮肤的电气和传感性能。a）电子皮肤工作机制的示意图如下。b）电子皮肤在不同加载频率（1–5 Hz）下的频率响应特性。c）电子皮肤的循环稳定性。d）对不同质量物体的电压响应。e）电子皮肤的不同压力下响应灵敏度。f）循环触摸过程中电子皮肤的输出电压和电流信号。g）电子皮肤的响应时间。 
图4 电子皮肤的降解性能。a）各种条件下电子皮肤的降解示意图。b） CS的降解机制。c–e）体外CS/Au-NFs膜生物连续降解照片，分别为c）乙酸，d）胃蛋白酶溶液，e）过氧化氢溶液。 

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112241

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