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    光線(xiàn)傳感器(光線(xiàn)傳感器壞了怎么修)

    文章出處:華仁儀表 發(fā)表時(shí)間:2021-09-16 14:34

    【科研摘要】

    導電水凝膠對軟電子設備具有重要意義。然而,固有的弱本性,缺乏抗疲勞性和自愈能力以及傳統導電水凝膠缺乏刺激響應性,阻礙了它們作為耐用,可靠和智能的導體來(lái)滿(mǎn)足現代電子產(chǎn)品日益增長(cháng)的需求。最近,加拿大阿爾伯塔大學(xué)曾宏波院士通過(guò)將納米填料增強與膠束交聯(lián)相結合,開(kāi)發(fā)了一種新型的水凝膠離子導體。相關(guān)論文Ultra elastic, stretchable, self-healing conductive hydrogels with tunable optical properties for highly sensitive soft electronic sensors發(fā)表在《JMCA》上。

    在多壁碳納米管,醛改性的F127和LiCl的存在下,通過(guò)丙烯酰胺和氨基官能化單體的一鍋聚合輕松制備水凝膠。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)化學(xué)和物理相互作用為水凝膠提供了廣泛的特性,包括出色的可拉伸性(1200%),模擬皮膚的模量,韌性,出色的彈性(從1000%應變中恢復),抗破壞性通過(guò)鋒利的材料,具有自修復性能(自修復后可拉伸636%)和高導電率(3.96 S m-1)。此外,水凝膠的合理設計賦予其對溫度,應變和壓力的多種感覺(jué)能力。水凝膠顯示出冷卻引起的增白光學(xué)行為。當用作應變和壓力傳感器來(lái)監測人類(lèi)的各種運動(dòng)時(shí),準備好的水凝膠傳感器即使在運動(dòng)前和運動(dòng)后采集徑向動(dòng)脈脈搏的詳細波形變化時(shí)也表現出出色的靈敏度和可靠性,這表明它比以前報道的水凝膠傳感器具有更高的靈敏度。該水凝膠還與眼罩集成在一起以監測人類(lèi)的睡眠,并顯示出快速眼動(dòng)(REM)睡眠檢測的高度可靠性。這項工作為多功能,智能和導電材料的制造提供了新見(jiàn)解,為可穿戴傳感器,人造皮膚和軟機器人等廣泛應用展示了廣闊的前景。

    【圖文解析】

    3.1 PAAFC-L雜化水凝膠的設計與合成

    為了將動(dòng)態(tài)席夫堿相互作用引入雜化水凝膠,首先,制備了聚環(huán)氧乙烷-b-聚環(huán)氧丙烷-b-聚環(huán)氧乙烷的三嵌段共聚物(PEO100-PPO65-PEO100,F127), 通過(guò)碳二亞胺催化的4-甲?;郊姿狨セ磻倌芑詭в心┒吮郊兹┗鶊F(圖1a)。接下來(lái),如圖1b所示,通過(guò)兩步反應合成了含胺單體AEAM。然后,在中性pH(7.4)和溫度為30°C的溫和條件下,在F127-CHO,羧基官能化的MWCNT和LiCl存在下,通過(guò)AM和AEAM的輕松一鍋式聚合反應,制備復合PAAFC-L水凝膠。合成過(guò)程和分層3D網(wǎng)絡(luò )如圖1c所示。

    圖1.(a)醛改性的F127(F127-CHO)和(b)2-氨基乙基丙烯酰胺鹽酸鹽(AEAM)的合成路線(xiàn)。(c)雜化PAAFC-L水凝膠網(wǎng)絡(luò )建設中涉及的合成過(guò)程,分層網(wǎng)絡(luò )和動(dòng)態(tài)相互作用的示意圖。

    3.2機械性能

    水凝膠的機械強度和可拉伸性通過(guò)單軸拉伸試驗表征,其標稱(chēng)應力-應變曲線(xiàn)如圖2a所示。

    圖2 PAAFC-L水凝膠的機械性能。(a)不同組成的水凝膠的應力-應變曲線(xiàn)。(b)照片顯示PAAFC-L水凝膠結被拉伸至原始長(cháng)度的10倍。(d)壓縮間隔,最大應變?yōu)?0%。(e)圖像顯示PAAFC-L塊狀水凝膠耐切割并在(f)提出的PAAFC-L水凝膠的拉伸和壓縮彈性機制的示意圖。#p#分頁(yè)標題#e#

    3.3自修復特性

    締合在水凝膠中的可逆脫離也賦予其自愈特性。圖3a和b顯示了水凝膠的自修復性能的流變特性。在圖3a中,當進(jìn)行振蕩應變掃描時(shí),儲能模量(G')在較寬的應變范圍內超過(guò)了損耗模量(G''),直到施加了1172%的高剪切應變?yōu)橹?,其中G'的交點(diǎn) G′′表明水凝膠網(wǎng)絡(luò )破裂。該結果表明水凝膠具有承受大剪切變形的能力。一旦應變恢復到1%,網(wǎng)絡(luò )將立即自我修復,如G'和G''的即時(shí)和完全恢復所指示的,這表明雜化水凝膠中動(dòng)態(tài)相互作用的快速再生。剪切應變在1%和2000%之間變化的循環(huán)實(shí)驗顯示了自愈性能的極好的可重復性(圖3b)。

    圖3 PAAFC-L水凝膠的自愈特性。

    3.4熱響應光學(xué)特性

    PAAFC-L水凝膠的光學(xué)性質(zhì)可以隨溫度輕松調整。水凝膠在10°C時(shí)不透明,在20°C時(shí)變?yōu)榘胪该?,并在加熱?7°C的體溫時(shí)變?yōu)橥耆该鳎▓D4a)。這種透明度的變化通過(guò)光譜在400–800 nm的可見(jiàn)光范圍內進(jìn)行了定量表征。如圖4b和c所示,水凝膠的透射率隨溫度的升高而顯著(zhù)增加,在37°C時(shí)達到約90%,然后在進(jìn)一步升高溫度時(shí)趨于穩定。此外,如圖4d所示,這種光學(xué)躍遷過(guò)程在空氣中迅速發(fā)生并且具有很高的重復性。水凝膠的光學(xué)性質(zhì)變化最可能歸因于F127膠束的尺寸隨溫度的變化,其中DLS檢測到在各種溫度下未修飾的F127和F127-CHO的尺寸,結果如圖4e所示。在20°C下制備的F127-CHO的AFM形貌圖像中,在相對較低的溫度下聚集體的生成明顯可見(jiàn)(圖4f),而在60°C下觀(guān)察到的F127-CHO小膠束均勻分散(圖4g)。

    圖4(a)照片顯示了PAAFC-L水凝膠的熱響應光學(xué)特性。(b)在10、20和37°C下水凝膠的可見(jiàn)光范圍內的光譜。(c)PAAFC-L水凝膠在550 nm處的透射率隨溫度的升高而變化。(d)圖像顯示了形狀為“ UA”的PAAFC-L水凝膠的溫度可調透明度變化的可重復性。(e)在10至60°C的不同溫度下F127-CHO膠束的DLS尺寸表征。在(f)20°C和(g)60°C下制備的F127-CHO膠束的AFM形貌圖。

    3.5導電性

    根據使用電化學(xué)工作站測得的電化學(xué)阻抗譜,計算出水凝膠的電導率。如圖5a所示,由于沒(méi)有離子,純PAM和PAMF水凝膠的電導率相對較低(0.08 S m-1)。圖5b示出了PAAFC-L水凝膠對所施加的拉伸應變的相對電阻變化ΔR/ R0(等于(R-R0/R0)。

    圖5(a)具有不同組成的水凝膠的電導率。(b)PAAFC-L水凝膠的相對電阻變化與拉伸應變的關(guān)系。(c)在100次循環(huán)最大應變?yōu)?00%的重復裝卸過(guò)程中的相對電阻響應。(d)循環(huán)相對電阻變化,最大應變?yōu)?00%,200%和500%。(e)相對電阻隨水凝膠壓力的變化而變化。插圖顯示了水凝膠在不同壓力范圍內的壓力敏感性(S)。

    3.6傳感性能

    為了演示水凝膠作為可穿戴應變/壓力傳感器的實(shí)際應用,將其直接安裝在人體的各個(gè)部位(圖6a),以實(shí)時(shí)監控各種人體活動(dòng)。圖6b示出了水凝膠隨食指彎曲的相對電阻變化。當彎曲角度依次設置為15°,30°,60°和90°時(shí),觀(guān)察到明顯的相對電阻變化。而且,在每個(gè)特定角度,電信號都是高度可重復且穩定的。類(lèi)似地,將水凝膠傳感器連接到其他關(guān)節(如手腕,肘部和膝蓋)時(shí),可以靈敏且重復地檢測到關(guān)節的彎曲,如圖6c,e和f所示。這些所需的應變相關(guān)感測特性使水凝膠能夠識別人類(lèi)的良好活動(dòng),例如書(shū)寫(xiě)。如圖6d所示,當測試人員將水凝膠傳感器安裝在手腕上時(shí)寫(xiě)下大寫(xiě)字母“ A”,“ B”和“ C”時(shí),每個(gè)字母的對應電圖樣都具有很高的再現性,并且可以與其他。此外,使用電阻變化的不同頻率和信號波形可以精確識別人的行走和跑步(圖6g)。如圖6h和i所示,也可以很容易地檢測到諸如蹲下和坐下的大型人體運動(dòng)。#p#分頁(yè)標題#e#

    圖6使用PAAFC-L水凝膠電子傳感器實(shí)時(shí)監測人體運動(dòng)。(a)顯示感應位置的示意圖。(b)手指彎曲,(c)手腕彎曲,(d)書(shū)寫(xiě),(e)肘部彎曲,(f)膝蓋彎曲,(g)步行和跑步,(h)蹲下和(i)期間的相對電阻信號 )坐著(zhù)。

    接下來(lái),為進(jìn)一步證明水凝膠在現實(shí)生活中的潛在應用,PAAFC-L水凝膠傳感器與睡眠面罩集成在一起,制成了“智能”眼罩,可實(shí)時(shí)監測人類(lèi)睡眠。實(shí)驗設置如圖8a所示。水凝膠傳感器的表面覆蓋有一層薄薄的聚乙烯膜,可將其與眼瞼隔離,從而避免了對皮膚的刺激,并最大程度地減少了水凝膠的水分流失。首先在健康受試者的清醒狀態(tài)下檢測到睡眠期間可能發(fā)生的眼部和頭部活動(dòng)。睡眠過(guò)程主要涉及兩種眼動(dòng)。一種是緩慢的,滾動(dòng)的或擺動(dòng)的眼球運動(dòng),另一種是快速的和急促的眼球運動(dòng),后者發(fā)生在快速眼動(dòng)(REM)睡眠期間。然后如圖8b所示記錄對象的一夜睡眠。睡眠過(guò)程分為三個(gè)階段:深度睡眠,淺睡眠和快速眼動(dòng)睡眠,如圖8b所示。根據其相對頻繁的頭部運動(dòng)信號,輕度睡眠與深度睡眠有所區別。尤其是,智能睡眠面罩在檢測快速眼動(dòng)(REM)睡眠方面具有出色的靈敏度,該快速眼動(dòng)睡眠與強烈的神經(jīng)元活動(dòng)和夢(mèng)境有關(guān),因此具有很高的研究和公眾興趣,使信號在REM和快速睡眠之間具有明顯可識別的邊界。與使用流行的睡眠監控移動(dòng)應用“睡眠監控器”記錄的睡眠相比(圖8c)

    圖8(a)示出了睡眠監測實(shí)驗的實(shí)驗裝置的方案。(b)一夜的相對抵抗力在睡覺(jué)時(shí)隨時(shí)間而變化。左插圖表示深度睡眠期間眼睛的緩慢滾動(dòng)或擺動(dòng)。中間的插圖顯示了快速眼動(dòng)睡眠期間眼球的快速運動(dòng)。右插圖顯示了輕睡眠期間頭部運動(dòng)的信號。(c)從移動(dòng)應用程序“睡眠監視器”獲得的睡眠記錄。

    參考文獻:

    doi.org/10.1039/D0TA09735G

    版權聲明:「水凝膠」是由專(zhuān)業(yè)博士(后)創(chuàng )辦的非贏(yíng)利性學(xué)術(shù)公眾號,旨在分享學(xué)習交流高分子聚合物材料學(xué)的研究進(jìn)展。上述僅代表作者個(gè)人觀(guān)點(diǎn)且作者水平有限,如有科學(xué)不妥之處,請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯(lián)系作者修正。商業(yè)轉載請聯(lián)系編輯或頂端注明出處。感謝各位關(guān)注!

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