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當(dang)前(qian)位(wei)置(zhi)：首頁(ye)技(ji)術(shu)文章(zhang)廣西(xi)大(da)學(xue)龍(long)雨(yu)團(tuan)隊(dui)：3D打印(yin)自愈合(he)可(ke)降(jiang)解(jie)的CIEs，用(yong)於(yu)定(ding)制化柔性傳(chuan)感(gan)器

廣西(xi)大(da)學(xue)龍(long)雨(yu)團(tuan)隊(dui)：3D打印(yin)自愈合(he)可(ke)降(jiang)解(jie)的CIEs，用(yong)於(yu)定(ding)制化柔性傳(chuan)感(gan)器

更新(xin)時間(jian)：2024-02-27

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近(jin)年(nian)來(lai)，柔性傳(chuan)感(gan)器在(zai)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備、交(jiao)互式顯(xian)示設(she)備、可(ke)伸(shen)縮(suo)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)裝置(zhi)、電(dian)子(zi)/離子(zi)皮(pi)膚(fu)及軟(ruan)機(ji)器人等(deng)諸多領域受到青(qing)睞。可(ke)拉(la)伸(shen)導(dao)體作為(wei)柔性傳(chuan)感(gan)器的(de)核心(xin)組(zu)件(jian)，它們的材(cai)料(liao)開發和性能(neng)研(yan)究受到研究人員(yuan)的(de)關(guan)註(zhu)。總(zong)的來說，要實(shi)現(xian)可(ke)拉(la)伸(shen)導(dao)體的基本性能(neng)的(de)提升，往(wang)往在材料選(xuan)擇和(he)導(dao)體微(wei)結構工程(cheng)化設計(ji)兩個方(fang)面進行(xing)努力。

導(dao)電(dian)離(li)子(zi)的彈性體(ti)（CIEs）作(zuo)為新型(xing)可(ke)拉(la)伸(shen)導(dao)體之(zhi)壹，已(yi)經成(cheng)為(wei)凝膠基離子(zi)導(dao)體的可(ke)靠(kao)替(ti)代(dai)品(pin)。為提升(sheng)CIEs被用(yong)作(zuo)柔性傳(chuan)感(gan)器重(zhong)要部(bu)件時的(de)使(shi)用(yong)性能(neng)（如靈(ling)敏度、響應時間(jian)），需(xu)要(yao)在(zai)CIEs的微(wei)結構設計(ji)和(he)成(cheng)型(xing)方(fang)法方(fang)面做出努力。以(yi)往(wang)多(duo)數研(yan)究仍然(ran)使(shi)用(yong)模(mo)板(ban)模(mo)塑(su)成(cheng)型(xing)CIEs，難(nan)以(yi)滿足對CIEs形狀(zhuang)的靈(ling)活定(ding)制需求。幸(xing)而(er)，基於材(cai)料(liao)累(lei)加進行(xing)制造的成(cheng)型(xing)原(yuan)理的(de)增材(cai)制造技(ji)術(shu)（又稱(cheng)3D打(da)印(yin)），可(ke)以(yi)按需(xu)定(ding)制靈活結構的彈(dan)性體(ti)，受(shou)到越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)關(guan)註(zhu)。在各種3D打印技(ji)術(shu)中，數字(zi)光處理（DLP）具(ju)有(you)加工速度快(kuai)，可(ke)高(gao)精度制備結構復(fu)雜的(de)產品(pin)等優(you)點(dian)而具有(you)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)價(jia)值(zhi)。盡管(guan)使(shi)用(yong)DLP 3D打(da)印(yin)CIEs取(qu)得了(le)壹定(ding)進(jin)展(zhan)，但(dan)常受限(xian)於光(guang)敏性前(qian)驅(qu)體的選(xuan)擇，打(da)印出的CIEs很(hen)難(nan)具備優(you)異(yi)的綜合(he)性能(neng)。通(tong)過(guo)構建動態網絡，賦予可(ke)光(guang)引(yin)發聚(ju)合(he)的CIEs更多(duo)綜(zong)合(he)性能(neng)，如自(zi)愈合(he)性能(neng)、降(jiang)解(jie)回收能(neng)力和異(yi)常溫(wen)度(du)下的工作(zuo)性能(neng)，可(ke)以(yi)更好(hao)地(di)滿足復(fu)雜環(huan)境下傳(chuan)感(gan)信號的穩(wen)定(ding)性以(yi)及(ji)綠(lv)色(se)制造的需(xu)求(qiu)。為此，開(kai)發可(ke)DLP 3D打(da)印(yin)的(de)且具(ju)備優(you)異(yi)整(zheng)體(ti)性能(neng)的(de)CIEs勢在必(bi)行(xing)。

近(jin)日，廣西(xi)大(da)學(xue)龍(long)雨(yu)教(jiao)授團隊(dui)研發出了(le)具(ju)有(you)高(gao)自(zi)愈合(he)效(xiao)率、耐(nai)溫(wen)性、可(ke)降(jiang)解(jie)性以(yi)及(ji)可(ke)3D性的(de)CIEs。利(li)用(yong)紫(zi)外(wai)光(guang)固(gu)化合(he)成(cheng)的(de)CIEs展(zhan)現(xian)出(chu)良好的離子(zi)電(dian)導(dao)率（0.23 S m^-1），並且在(zai)彈(dan)性體(ti)網(wang)絡中豐富的(de)氫(qing)鍵相(xiang)互作用(yong)下，使該CIEs具(ju)備優(you)異(yi)的拉伸(shen)能力（565 %），優(you)異(yi)的自愈效(xiao)率（在(zai)室(shi)溫(wen)下99 %）、降解(jie)能力，以(yi)及(ji)在(zai)寬溫(wen)度(du)範圍內(nei)（−23 至 55 ℃）保持(chi)導(dao)電(dian)和(he)自愈合(he)能力。隨後(hou)，該(gai)團(tuan)隊(dui)利(li)用(yong)新(xin)型(xing)面投影微(wei)立體(ti)光刻(ke)技(ji)術(shu)(摩(mo)方(fang)精密(mi)nanoArch® S140，精度：10μm)，打(da)印了(le)模(mo)擬人體(ti)皮(pi)膚(fu)表(biao)皮(pi)層(ceng)與真(zhen)皮(pi)層(ceng)之(zhi)間(jian)微(wei)結構的CIEs，並將打(da)印(yin)出(chu)的(de)樣(yang)件(jian)組(zu)裝成(cheng)高(gao)靈(ling)敏度的(de)離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)，實(shi)時監(jian)控(kong)微(wei)小形變。這(zhe)些特點表(biao)明(ming)，良好的綜合(he)性能(neng)和(he)可(ke)行(xing)的(de)制造方(fang)法使得所研(yan)發的CIEs在柔性電(dian)子(zi)領域具有廣闊(kuo)前景(jing)。

相(xiang)關(guan)研究成(cheng)果以(yi)“3D Printing of self-healing and degradable conductive ionoelastomers for customized flexible sensors"為(wei)題(ti)發表(biao)在(zai)國際著(zhu)名期(qi)刊《Chemical Engineering Journal》上（SCI壹區(qu)，Top期(qi)刊，IF=15.1）。廣西(xi)大(da)學(xue)研(yan)究生羅欣(xin)為第壹作者(zhe)，廣西(xi)大(da)學(xue)龍(long)雨(yu)教(jiao)授為通(tong)訊作者(zhe)。該(gai)工作得(de)到了(le)廣西(xi)壯(zhuang)族自治(zhi)區(qu)重點(dian)研發計(ji)劃、國家重點(dian)研發計(ji)劃和廣西(xi)壯(zhuang)族自治(zhi)區(qu)自然(ran)科學基金的(de)大(da)力支(zhi)持(chi)。

首(shou)先通(tong)過(guo)合(he)理地(di)選(xuan)擇離(li)子(zi)單體、交(jiao)聯(lian)劑(ji)和(he)光引發劑(ji)，合(he)成(cheng)了(le)具(ju)有(you)光(guang)敏性和(he)優(you)異(yi)流(liu)動性的(de)前(qian)驅(qu)體溶(rong)液，通(tong)過(guo)對其(qi)紫(zi)外(wai)光(guang)照(zhao)進(jin)壹步共(gong)聚(ju)合(he)成(cheng)PACG（Poly-AAm /ChCl/Glycerol）CIEs。將前(qian)驅(qu)體溶(rong)液用(yong)於(yu)光(guang)固(gu)化3D打印(yin)，在3D打印過(guo)程(cheng)中(zhong)，由數字(zi)微(wei)鏡(jing)設備（DMD）修(xiu)飾(shi)的圖案化405nm 紫(zi)外(wai)光(guang)源(yuan)，透(tou)過(guo)前驅(qu)體溶(rong)液，照(zhao)射在液槽中的(de)打(da)印平臺上，光(guang)引發劑(ji)2959吸(xi)收紫(zi)外(wai)光(guang)後(hou)產生自(zi)由基，在交(jiao)聯(lian)劑(ji)PEGDA的(de)輔助下，誘(you)導(dao)前驅(qu)體溶(rong)液中(zhong)的離子(zi)單體發生聚(ju)合(he)反應(ying)，形成(cheng)固(gu)體離(li)子(zi)的彈性體(ti)聚(ju)合(he)物(wu)網(wang)絡(luo)結構圖案(an)。隨著(zhe)打(da)印(yin)平臺向(xiang)下移(yi)動，逐(zhu)層(ceng)固(gu)化實(shi)現(xian)整(zheng)個(ge)3D 實(shi)物(wu)的(de)打(da)印(yin)。（如圖(tu)1）

圖(tu)1.PACG導(dao)電(dian)離(li)子(zi)的彈性體(ti)（CIEs）的(de)合(he)成(cheng)和(he)3D打(da)印(yin)方(fang)案。(a)制備可(ke)光(guang)固(gu)化的前(qian)驅(qu)體的示(shi)意圖。（b）PACG CIEs聚(ju)合(he)物(wu)網(wang)絡(luo)的(de)合(he)成(cheng)路線(xian)。（c）基於可(ke)光(guang)固(gu)化的前(qian)驅(qu)體的DLP 3D打(da)印示意(yi)圖(tu)。（d）制備的(de)前體(ti)溶(rong)液和(he)水的流(liu)動性比較(jiao)。（e）覆蓋(gai)新型(xing)離子(zi)的彈性體(ti)的(de)“廣西(xi)大(da)學(xue)"標(biao)識(shi)圖。透(tou)過(guo)透(tou)明(ming)的CIE可(ke)以(yi)清(qing)晰(xi)地(di)看到漢(han)字(zi)。（f）PACG CIEs具(ju)有(you)高(gao)透(tou)明(ming)度，平均(jun)透(tou)過(guo)率96%。(g)離(li)子(zi)的彈性體(ti)拉(la)伸(shen)前後(hou)的(de)圖(tu)片(pian)。

綜(zong)合(he)考慮了(le)不(bu)同(tong)原(yuan)料配比的CIEs的力學性能(neng)和(he)導(dao)電(dian)性能(neng)後(hou)，除非另有(you)說明，後(hou)續(xu)的討(tao)論和(he)說明以(yi)PACG-1 CIE展(zhan)開(kai)。（如圖(tu)2）

圖(tu)2. PACG CIEs的(de)力學性能(neng)和(he)電(dian)學(xue)性能(neng)。(a)不(bu)同(tong)配比PACG CIEs的應力-應變曲(qu)線(xian)。(b) PACG-1 CIE在相(xiang)同(tong)應變（100%）下5個不(bu)間(jian)斷的循(xun)環(huan)拉伸(shen)加載(zai)-卸載曲線(xian)。(c) PACG-1 CIE在(zai)不(bu)同(tong)應變（100、200 、 300和(he)400%）下的不(bu)間(jian)斷循環(huan)拉(la)伸(shen)加載(zai)-卸載曲線(xian)。(d) 甘油含(han)量不(bu)同(tong)時合(he)成(cheng)的(de)PACG CIEs的(de)電(dian)導(dao)率。(e) LED燈泡(pao)的(de)亮度隨PACG-1 CIE長度變化而改(gai)變。

CIEs作為(wei)可(ke)拉(la)伸(shen)導(dao)體，是(shi)柔性傳(chuan)感(gan)器的(de)重要組(zu)件(jian)。CIEs的自(zi)愈能(neng)力對於(yu)傳(chuan)感(gan)器在(zai)受損後恢(hui)復(fu)其傳(chuan)感(gan)效(xiao)能，以(yi)及(ji)延(yan)長其使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)而言，扮(ban)演(yan)著至關(guan)重要的(de)角(jiao)色(se)。離(li)子(zi)的彈性體(ti)聚(ju)合(he)物(wu)網(wang)絡(luo)中(zhong)動態鍵的重構是(shi)實(shi)現(xian)CIEs自(zi)愈合(he)性能(neng)的(de)關(guan)鍵。在聚(ju)合(he)後的(de)PACG-1 CIE內部(bu)網絡結構中包含(han)許(xu)多(duo)動態可(ke)逆氫(qing)鍵，這賦予了(le)離(li)子(zi)的彈性體(ti)自(zi)愈合(he)能力。自愈合(he)性能(neng)可(ke)以(yi)延(yan)長材料(liao)的(de)使用(yong)壽(shou)命(ming)，但(dan)當(dang)材(cai)料(liao)達到使用(yong)壽(shou)命(ming)時，實(shi)現(xian)材(cai)料(liao)在溫(wen)和(he)的條(tiao)件(jian)下回收，不(bu)但(dan)可(ke)以(yi)避免浪費(fei)原(yuan)材料(liao)，而且可(ke)以(yi)減輕對環(huan)境(jing)的負(fu)面影響。經過(guo)測(ce)試(shi)可(ke)知(zhi)，該(gai)離(li)子(zi)的彈性體(ti)具(ju)備可(ke)降(jiang)解(jie)能力。可(ke)降(jiang)解(jie)性和(he)可(ke)自(zi)愈合(he)性能(neng)相(xiang)互配合(he)，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)延(yan)長PACG CIEs的使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)並賦予其(qi)環境友(you)好(hao)特性。（如圖(tu)3）

圖(tu)3. PACG-1 CIE的(de)自(zi)愈性能(neng)和(he)降解(jie)性能(neng)。(a) PACG-1 CIE的(de)自愈合(he)機(ji)理示意圖。(b)顯微(wei)鏡(jing)圖片(pian)顯(xian)示(shi)了(le)3D打(da)印(yin)的(de)PACG-1 CIE不(bu)同(tong)持(chi)續(xu)時間(jian)的(de)自(zi)愈合(he)過程(cheng)，24h後切(qie)口處的痕(hen)跡基本消失(shi)。比例尺(chi)為50μm 。 (c) PACG-1 CIE在(zai)室(shi)溫(wen)（r.t.）下不(bu)同(tong)愈合(he)時間(jian)的(de)原(yuan)始和(he)愈合(he)樣品(pin)的應力-應變曲(qu)線(xian)。 (d)不(bu)同(tong)自愈時間(jian)後(hou)PACG-1 CIE的(de)自(zi)愈效(xiao)率 (e) PACG-1 CIE自(zi)愈合(he)前後(hou)的電(dian)路中(zhong)電(dian)阻變化。(f) 當(dang)PACG-1 CIE經(jing)歷(li)原(yuan)始、切(qie)開、自(zi)愈瞬(shun)間、拉(la)伸(shen)過程(cheng)時，LED 燈泡(pao)狀(zhuang)態分(fen)別為亮、熄(xi)滅、亮(liang)和暗。(g)25℃時和(he)（h）70℃時，PACG-1 CIE在(zai)水(shui)中(zhong)降(jiang)解(jie)的照(zhao)片(pian)，紅(hong)色(se)方(fang)框標註(zhu)樣品(pin)在玻璃瓶中的位(wei)置(zhi)，由於受(shou)到水的(de)浮(fu)力，位置(zhi)可(ke)能(neng)會(hui)發生改(gai)變。(i)不(bu)同(tong)降解(jie)溫(wen)度(du)時，PACG-1 CIE的(de)降(jiang)解(jie)時間(jian)。(j) PACG-1 CIE在(zai)KOH溶(rong)液中(zhong)的降解(jie)機(ji)理圖。

3D打印離子(zi)的彈性體(ti)，實(shi)現(xian)了(le)低(di)成(cheng)本材料的高利(li)用(yong)率，可(ke)用(yong)於(yu)生產各(ge)種定(ding)制化高精度柔性器件(jian)。隨著(zhe)柔性電(dian)子(zi)設備的(de)發展，大(da)體(ti)積(ji)器件(jian)正(zheng)向(xiang)模塊(kuai)化微(wei)電(dian)路和(he)小(xiao)型化壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器方(fang)向(xiang)發展。這項研究通(tong)過(guo)模(mo)擬人體(ti)皮(pi)膚(fu)真(zhen)皮(pi)層(ceng)和(he)表(biao)皮(pi)層(ceng)之(zhi)間(jian)的(de)互鎖(suo)微(wei)結構，設計(ji)了(le)壹種仿(fang)生互鎖(suo)壓(ya)阻式離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)傳(chuan)感(gan)器，並利(li)用(yong)摩(mo)方(fang)精密(mi)nanoArch® S140 (精度：10μm) 3D打(da)印設(she)備成(cheng)功(gong)制造。由於電(dian)阻式壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器的(de)靈敏度是(shi)由接觸(chu)面積的變化決定(ding)的(de)，被(bei)打(da)印出的微(wei)圓頂(ding)結構中間(jian)存在(zai)間(jian)隙(xi)，因而(er)更容(rong)易(yi)被(bei)壓(ya)縮(suo)。當(dang)受(shou)壓(ya)時，與平面結構相(xiang)比微(wei)結構會導(dao)致(zhi)接觸(chu)面積隨著(zhe)施(shi)加(jia)壓(ya)力而增(zeng)加(jia)更多(duo)，進(jin)而增強(qiang)應變傳(chuan)感(gan)器的(de)靈敏度。定(ding)量(liang)評(ping)估(gu)其受壓(ya)時的(de)靈(ling)敏度可(ke)知(zhi)，該(gai)離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)傳(chuan)感(gan)器的(de)靈敏度在(zai)0–21.5 kPa壓(ya)力範圍(wei)內(nei)為(wei)1.7 kPa^-1，在21.5–144 kPa壓(ya)力範圍(wei)內(nei)為(wei)0.4 kPa^-1。（如圖(tu)4）

圖(tu)4. 基於PACG-1 CIE的(de)3D打(da)印(yin)。(a) 和（b）使用(yong)DLP 3D打(da)印(yin)機(ji)制造離子(zi)皮(pi)膚(fu)。(c) 3D打印(yin)出的模型保持(chi)平均(jun)透(tou)過(guo)率為(wei)92%的高透(tou)明(ming)度。（d）離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)中互鎖(suo)的(de)微(wei)圓頂(ding)結構受人體(ti)皮(pi)膚(fu)結構中互鎖(suo)的(de)表(biao)皮(pi)層(ceng)和(he)真(zhen)皮(pi)層(ceng)的(de)生物(wu)啟(qi)發。（e）3D 打印的離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)的示(shi)意圖和(f)拍(pai)攝(she)離子(zi)皮(pi)膚(fu)部(bu)件的三維輪(lun)廓圖(tu)。（g）離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)受壓(ya)時的(de)傳(chuan)感(gan)機(ji)制示意圖。（h）離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)的壓(ya)力靈敏度測(ce)試(shi)。

結論：研(yan)究團隊(dui)開發了(le)可(ke)DLP 3D打(da)印(yin)的(de)且具(ju)備優(you)異(yi)整(zheng)體(ti)性能(neng)的(de)CIEs，它們表(biao)現(xian)出固(gu)有的(de)離子(zi)導(dao)電(dian)能(neng)力、高透(tou)明(ming)度和(he)優(you)良的力學性能(neng)。由於彈(dan)性體(ti)網(wang)絡中動態氫(qing)鍵，該離(li)子(zi)的彈性體(ti)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)自主愈合(he)（室(shi)溫(wen)愈合(he)效(xiao)率＞99%），並且具(ju)備良好的溫(wen)度(du)耐候性。此(ci)外(wai)，彈(dan)性體(ti)還(hai)具(ju)備常溫(wen)下在水中(zhong)降(jiang)解(jie)的能(neng)力，可(ke)實(shi)現(xian)綠(lv)色(se)後(hou)處理。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)3D打(da)印(yin)技(ji)術(shu)制備出(chu)具有(you)微(wei)結構的離(li)子(zi)的彈性體(ti)，將其(qi)組(zu)裝成(cheng)離(li)子(zi)皮(pi)膚(fu)，實(shi)現(xian)對微(wei)小壓(ya)力實(shi)時監(jian)測(ce)。使(shi)用(yong) 3D 打(da)印(yin)技(ji)術(shu)構建自愈合(he)可(ke)降(jiang)解(jie)彈性體(ti)，為(wei)開發具有綜合(he)性能(neng)傳(chuan)感(gan)器提(ti)供(gong)了(le)新(xin)的(de)見解(jie)。

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