中科院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员、诺丁汉大学宁波校区朱光教授InfoMat：具有类“渔网”结构的超稳定可拉伸电极

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摘  要

中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员、诺丁汉大学宁波校区朱光教授，受到人工渔网启发，设计了具有柔性自适应导电界面的超稳定可拉伸电极，提出利用静电纺丝法构建液态金属/TPU二维“仿水膜-鱼网”结构薄膜，解决了弹性电极中导电率和拉伸率不可兼容、循环变形下电性能不稳定的问题，应变下通过网孔束缚液态金属对外扩展和液态金属在网孔内自适应流动，实现低电阻高稳定可拉伸电极，并将该电极应用于全天候人体表皮生理信号监测，智能人机交互界面及人体热疗等方面。

文章简介

在智能可穿戴电子领域，稳定耐用的柔性可拉伸导体仍然是一个巨大的挑战。尤其是在人体表皮生理信号的收集过程中，稳定的可拉伸电极可以实现长时间精准的信号收集。大多数柔性电极复合材料在形变过程中会因为导电材料与弹性体杨氏模量不匹配或应变下导电材料自身断裂而失效，从而无法同时实现高拉伸率和高导电性能。尽管液态金属有望解决这一问题，但其由于受限于大表面张力和与弹性体弱界面结合，无法实现在动态变形下电性能稳定的电极。

针对这一问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员、诺丁汉大学宁波校区朱光教授模仿“水膜-鱼网”结构设计了超耐久可拉伸电极，通过纳米液态金属颗粒和聚氨酯（TPU）静电纺丝纤维支架的静电自组装，成功制备了液态金属基薄膜电极，该电极的动态自适应导电网络使其具备极低初始方阻（52mΩ sq⁻¹）和极强的动态循环稳定性，经过33万次100%拉伸应变循环，电阻几乎没有变化，同时电极面对冷热、酸碱、浸水等服役环境变化，依旧表现出稳定的电性能。该电极能够实现全天候心电监测，可拉伸加热，可穿戴人机界面等应用，有望助力基于万物互联的可穿戴健康监护系统及电子皮肤人机交互界面的持续发展。该工作在InfoMat上以题为“Ultra-robust stretchable electrode for e-skin: In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction”发表（DOI:10.1002/inf2.12302）。

我们对文章的重点部分做简单介绍。

这项工作将TPU静电纺丝与液态金属微纳颗粒静电喷涂进行原位复合后进行机械激活，制备出了仿“水膜-渔网”的可拉伸电极。作者还透彻分析了液态金属微米纳米球通过尺寸效应和微观捆绑结构，实现与纳米纤维丝网络的复合。通过调控液态金属静电喷涂的时间，可以调控液态金属体积占比、质量占比及方阻大小，最佳可以实现46.51%体积占比、14.01mg cm⁻²质量占比及52mΩ sq⁻¹极低方阻，其电极厚度仅为约50微米，展现出优异的拉伸性能和均匀的导电性，能够保型贴附在人体的皮肤表面，并能可以实现大面积制备（图1）。

图1 超稳定可拉伸电极的制备、形貌及基础电性能。

该电极展现出优异的动态电性能，主要体现在三个方面：第一，电性能保持拉伸不敏感。在100%和570%应变下，其电阻分别变化了0.5倍和3.5倍，相比于其他电极，电阻变化小一个数量级。第二，动态循环变形过程中，该电极展现出极佳的电学稳定性。在100%应变拉伸循环33万次试验中，其电阻仅上升了5%，该特性要远远优于其他可拉伸电极；在2.5万次弯曲循环中，其电阻几乎保持不变。第三，该电极在不同的环境刺激下均保持稳定。将电极拉伸到200%应变，用水浸没3万次，电阻仅变化11%；并且将电极放置在pH值为4.7和8.8的人工汗液中，均保持稳定；将电极加热到90℃，电阻仅变化50%；而且，将电极长时间放置420天，尽管液态金属表面会氧化，但其方阻仍可以保持在60 mΩ sq⁻¹（图2）。

图2 超稳定电极在不同服役环境下的电性能表征。

该电极的超稳定电性能，主要得益于其仿“水膜-渔网”结构，也可称之为液态金属动态自适应网络，由于液态金属薄膜与聚氨酯纺丝网的交互作用，在小应变下，SEM原位观察到液态金属可以实现自适应流动，卸去局部应力，保持导电薄膜连续；在大应变下，尽管液态金属薄膜会破裂，但聚氨酯纺丝网会阻碍其断裂，并使其包裹在纤维丝上，保持整体导电网络的稳定性（图3）。

图3 超稳定电极的动态自适应导电网络机理。

该电极可以实现人体表皮全天候心电信号检测。首先，该电极具有良好的生物相容性和极低毒性，可以用在人体表皮进行心电监测，其展现出于商用凝胶电极类似的阻抗性能。其次，该工作根据人的活动场景，为电极设计了静态、运动、水冲三个工作场景，超稳定电极展现出优异的心电信号收集能力，信噪比达到0. 43，尤其是在水冲环境中，该电极可以收集到稳定、清晰的心电信号，可以用于全天候心电诊断（图4）。

图4 超稳定电极的生物相容性探究及其在全天候心电监测方面的应用。

同时，通过局部激活和激光切割，可以将聚氨酯液态金属复合材料制备成多层多功能人机交互系统。上层电容传感阵列连接在集成电路和蓝牙模块上，可以实现无线信号传输，在拉伸和弯曲状态下均可以对计算机输入无线指令，可以应用在智能可穿戴游戏控制等方面。下层蛇形加热器展现出良好的电热稳定性，可以实现45℃到90℃稳定加热，并展现出优异的加热循环性能，可用于人体加热治疗。局部激活的电路对机械破坏展现出很好的抵抗性，该电极可以实现即时导电通路重建，使电极在破坏、拉伸状态下依然能够正常工作（图5）。

图5 超耐用电极的可加工性及其在智能人机交互系统方面的应用。

总而言之，这项工作设计并实现了超耐用可拉伸电极，基于液态金属和聚氨酯纺丝网络构成的自适应导电网络，实现了在机械变形、长时间氧化、循环浸没、加热、酸碱浸泡等各种环境刺激下的稳定电性能，尤其实现了33万次拉伸循环下极小的电阻变化。该电极可以应用在全天候心电监测、智能人机交互系统等方面，在长时间体表电子皮肤、体内生物相容性器件等方面展现出很大的潜力。

作者简介

李润伟  研究员

中科院宁波材料技术与工程研究所

李润伟，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员，博士生导师，现任中国科学院宁波材料技术与工程研究所党委书记和中国科学院磁性材料与器件重点实验室及浙江省磁性材料及其应用技术重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者，国家科技创新领军人才，浙江省特级专家。2021年获省自然科学奖一等奖，课题组主页：https://memdl.nimte.ac.cn/

朱光 教授

宁波诺丁汉大学

朱光，宁波诺丁汉大学纳米材料和设备首席教授，博士生导师，主要从事柔性功能材料成型制备及其在柔性传感中的应用基础研究。2012年以来，在Nat. Commun.. Adv. Mater., Nano Lett.等国际一流刊物共发表第一/通讯作者论文70余篇，平均影响因子大于12，全部论文谷歌学术引用20000余次，H因子66，获得8项美国发明专利，25项中国发明授权。研究成果被Science和Nature等科学期刊正面亮点评述，并被CNN、路透社、中央电视台和《中国科学报》等媒体深入报道。

论文信息

Ultra-robust stretchable electrode for e-skin: In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction

Jinwei Cao, Fei Liang, Huayang Li, Xin Li, Youjun Fan, Chao Hu, Jing Yu, Jin Xu, Yiming Yin, Fali Li, Dan Xu, Hanfang Feng, Huali Yang, Yiwei Liu, Xiaodong Chen, Guang Zhu*, Run-Wei Li*

DOI: 10.1002/inf2.12302

Citation: InfoMat, 2022, e12302

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关于InfoMat

《信息材料》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。

• 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

• 中科院分区工程技术大类1区Top期刊

• 影响因子：25.405

• 国产OA月刊

• 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat

编辑部邮箱：[e-mail]

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