RAFT 聚合、非均相聚合、可控性、嵌段共聚物、功能化/Macromolecules/2021思维导图

U278105587

2024-12-07

浏览量: 0

RAFT 聚合、非均相聚合、可控性、嵌段共聚物、功能化/Macromolecules/2021

液态金属

研究意义

研究试验

研究背景，实验方法，实验结果内容讲解

树图思维导图提供《RAFT 聚合、非均相聚合、可控性、嵌段共聚物、功能化/Macromolecules/2021》在线思维导图免费制作，点击“编辑”按钮，可对《RAFT 聚合、非均相聚合、可控性、嵌段共聚物、功能化/Macromolecules/2021》进行在线思维导图编辑，本思维导图属于思维导图模板主题，文件编号是：3c003672a2a6b4a4da6350a770af2775

思维导图大纲

基本信息

标题

英文

Bioinspired Ultra-Stretchable and Highly Sensitive Structural Color Electronic Skins

中文

仿生超弹性和高度敏感的结构彩色电子皮肤

主要作者及机构

杜学敏、李舟

中国科学院

期刊

SCIE JCR Q1

IF 18.5

研究背景

生物适应性能力的启发

自然界中一些生物如变色龙、章鱼等能够感知外部刺激并通过神经肌肉器官改变自身外观，受此启发，电子皮肤（E - skins）应运而生，在多个领域显示出巨大潜力。

电子皮肤的发展与局限

现有的仿生电子皮肤存在一些挑战，特别是在超拉伸性、高灵敏度和长期稳定性方面，由于软基质与硬导电填料之间的界面不匹配问题，其实际应用受到限制

结构色材料的优势与挑战

当前研究致力于将结构色元素与导电填料相结合以实现电 - 光双传感，但仍面临诸多问题，如颜色对比度低、响应慢、易光漂白等。因此，开发具有优异性能的结构色电子皮肤对于人机交互等应用至关重要

实验方法

材料准备

苯乙烯（St，99%）、丙烯酸（AA，99%）、过硫酸钾（KPS，99%）、丙烯酰胺（AM，99%）、海藻酸钠（SA）、过硫酸铵（APS，99%）、N，N-亚甲基-双丙烯酰胺（NMBA，99%）和氢氧化钠（NaOH，99.0%）、5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物（DMPO， 99.0%）、液态金属（LM，共晶镓（Ga，75.5%）-铟（In，24.5%））、超纯水

用 5.0 wt.% 的 NaOH 水溶液处理以去除抑制剂，以纯化苯乙烯

单分散 PS 颗粒和结构色层的制备

在带有回流冷凝器的三口圆底烧瓶中，通过无剂的乳液聚合合成单分散 PS 颗粒

LMP 的制备

将 0.05 g 甲基纤维素溶于 50 mL 超纯水中，温度为 80 ℃。冷却至室温（22 ℃）后，将 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 和 6.0 g LM 分别加入制备的甲基纤维素水溶液中。之后，在冰浴中以 200 W 的功率密度对混合物进行超声处理2 h，以获得浓度为 2、4、6、8、10 和 12 w/v% 的 LMPs 悬浮液。

PAM/SA 水凝胶的制备

首先，改变了 AM 和 SA 之间的质量比。在实验中，向玻璃瓶中加入 10.0 g AM、0.10 g APS、0.01 g NMBA 和 50 mL 超纯水。将 1.0 g、2.0 g 或 3.0 g 不同重量的 SA 加入上述溶液中，搅拌直至完全溶解。然后在 50℃ 下加热 2 h 使水凝胶固化。

其次，使用不同含量的交联剂制备水凝胶。通常，将 10.0 g AM、1.0 g SA、0.10 g APS 和 50 mL 超纯水加入玻璃瓶中。然后将 0.01、0.03、0.05 和 0.30 g 不同重量的 NMBA 加入上述溶液中，搅拌至完全溶解。然后在 50℃ 下加热 2 h 获得水凝胶。

SC E-Skins 的制备

使用不同含量的 LMP 制备 SC电子皮肤

在实验中，将 10.0 g AM、1.0 g SA、0.10 g APS、0.01 g NMBA 和 25.0 mL 超纯水加入玻璃瓶中并搅拌，得到 AM-SA 溶液。然后，将不同 LMP 含量（4.0、8.0、15.0、18.0 或 21.0 wt.%）的悬浮液加入 AM-SA 溶液中并机械搅拌。最后，将混合液用 200 μm 垫片放入结构色层中，在室温下聚合，在 50℃下加热 30 min 后得到 SC E-skins，用于水凝胶的快速固化。

实验结果

SC E-skins 的制备

材料与结构组成

SC E-skin 由结构色层和导电双网络水凝胶层组成

LMPs 的作用机制

LMPs 的存在显著激活了 APS 分子产生硫酸根自由基，促进了 AM 的聚合；LMPs 均匀分散在水凝胶层中，提高了导电性和拉伸性，且随着 LMPs 含量增加，SC E - skins 的导电性、颜色对比度和拉伸性均发生相应变化

性能表征与优化

当 LMPs 含量为 18 wt.% 时，综合性能最佳

电学传感性能

应变检测范围

SC E - skins 具有超拉伸性，可精确检测人体皮肤能承受的应变（0% - 30%），还能监测超出人体皮肤范围的应变（30% - 200%），其电阻随应变增加而增大。

灵敏度评估

通过计算应变与相对电阻变化的关系评估灵敏度，在不同应变范围下的应变系数（gauge factor，GF）分别为 1.63（0% - 30% 应变）、2.31（30% - 100% 应变）和 3.26（100% - 200% 应变）

响应特性与耐久性

由于 LMPs 的良好流动性，SC E - skins 能以 0.5 Hz 的高频瞬间响应 100% 应变，且在 1500 次 50% 应变循环后仍表现出一致的导电性，显示出卓越的耐久性

光学传感性能

颜色变化机制

SC E - skins 的结构色层在应变下颜色发生变化（从红色到绿色再到蓝色），反射峰从 628 nm 逐渐蓝移至 505 nm，这是由于拉伸过程中胶体纳米颗粒晶格距离减小，根据布拉格 - 斯涅尔方程导致反射峰波长减小。其光学传感性能在应变检测范围、灵敏度、耐久性和响应时间方面表现出色，可监测高达 200% 的应变，颜色变化明显，反射峰位移与应变呈良好线性关系，灵敏度高达每 1% 应变 1. nm，在 1500 次循环变形中光学信号输出稳定可靠，颜色保持良好，响应时间约为 100 ms，在低温（0°C）和近体温（40°C）下仍能保持良好性能。

应变与压力监测

SC E-skins 还能通过结构色变化监测压力，对轻微压力（如 2380 Pa）即可产生明显颜色蓝移（从红色到蓝色，对应反射波长从 620 nm 到 480 nm），反射变化与压力呈线性相关，灵敏度很高。同时也能通过相对电阻精确监测压力，体现了电 - 光协同传感能力。

应用展示

表面粘附特性

SC E - skins 对多种表面（如橡胶和生物皮肤）具有良好的粘附性，界面强度分别可达 23.52 kPa 和 14.83 kPa。

曲率监测应用

粘附在气球上，可通过颜色和电阻变化监测气球曲率变化，对监测生物组织曲率变化（如眼压变化或植物生长）具有潜在应用价值。

手势识别潜力

贴在手指关节处，能随着手指弯曲角度变化（从 0° 到 75°）改变结构色（从红色到蓝色，布拉格衍射蓝移从 632 nm 到 473 nm），为手势可视化监测提供了可能，且能实时响应弯曲角度变化，有望实现精确的手势识别。

呼吸监测功能

贴在大鼠皮肤上，可通过颜色变化方便地监测大鼠呼吸，呼吸过程中结构色在红色和橙色之间可逆变化，同时呼吸率也能通过相对电阻变化和反射变化反映出来，为呼吸监测提供了便捷的可视化方法，且在呼吸监测场景中表现出良好的稳定性

研究结论

SC E-skins 的性能总结

在SC E-skin中，流体LMPs不仅作为导电填料，而且还有助于PAM/SA-Ga3+双网络水凝胶的形成，赋予SC E-skin出色的性能（包括卓越的柔韧性、高灵敏度、快速协同电光响应时间、出色的耐用性和高精度等）

研究成果的应用前景

SC电子皮肤通过将一个机械信号转换为两个输出，实现协同电光反馈，实现曲率，手指弯曲和呼吸的可见和准确监测，这对智能健康监测和人机交互领域具有很大的希望

研究意义

理论意义

推动智能材料结构与功能关系的深入理解

通过将液态金属颗粒（LMPs）、周期性有序胶体晶体阵列和超拉伸水凝胶相结合构建仿生结构色电子皮肤（SC E - skins），提出了一种全新的智能材料设计理念。

拓展电子皮肤的传感理论

打破了传统电子皮肤仅能实现单一电信号传感的局限，创新性地实现了电 - 光双传感功能。

实际应用意义

为智能健康监测提供创新解决方案

在健康监测领域展现出巨大的应用潜力，如通过贴附在人体皮肤上可实现对呼吸、手指弯曲等生理活动的精确监测，以及对生物组织曲率变化的监测。

助力人机交互技术发展

在人机交互方面，可应用于软机器人等领域，为实现更加自然、智能的人机交互提供了可能。

推动智能可穿戴设备创新

为智能可穿戴设备的发展注入新的活力，其超拉伸性、高灵敏度和稳定性等特点使其能够更好地适应人体运动和日常活动，实现更多功能的集成。

创新点

理论创新

提出新的结构色电子皮肤设计理念：将液态金属颗粒（LMPs）、周期性有序胶体晶体阵列与超拉伸水凝胶相结合，构建了一种具有协同电-光传感能力的仿生结构色电子皮肤（SC E-skins）理论模型。这种设计突破了传统电子皮肤仅能实现单一电信号反馈的局限。

实验方法创新

开发新型材料制备工艺：建立了一种将单分散聚苯乙烯纳米颗粒组装成胶体晶体阵列作为结构色层，再与含有 LMPs 的导电双网络水凝胶复合的制备工艺。具有良好的可重复性和可调控性。

应用创新

多场景多功能应用：展示了 SC E-skins 在曲率监测（如气球曲率、生物组织曲率）、手势识别（手指弯曲角度监测）和呼吸监测等多个实际场景中的应用潜力。

材料在复杂环境下的稳定性：证明了 SC E-skins 在不同温度条件（0°C - 40°C）下仍能保持良好的性能，包括超拉伸性、快速响应和稳定的电 - 光传感能力。

不足

研究成果层面

长期稳定性的研究深度：虽然对材料在 1500 次循环下的耐久性进行了测试，但对于长期（如数年）使用过程中的稳定性研究尚不充分。在实际应用场景中，材料可能需要经受更长时间的各种环境因素（如湿度、温度变化、机械磨损等）影响，因此缺乏长期稳定性数据可能影响其在一些对可靠性要求极高的领域（如医疗长期监测设备）的应用。

实验研究层面

测试环境的局限性：实验主要在室温、特定湿度（未提及但可推测为常规实验室湿度）等相对较为理想的环境条件下进行。然而，在实际应用中，材料可能会面临更广泛的环境条件变化，如极端温度、高湿度或化学污染环境等。缺乏在这些复杂环境条件下的性能测试数据，使得对材料在实际应用中的性能表现预测存在一定不确定性。

材料体系的单一性：研究主要集中在一种特定的材料体系（基于 LMPs、PS 纳米颗粒、PAM/SA 水凝胶等构建的 SC E - skins），对其他可能的材料组合或结构变化对性能影响的探索相对较少。这限制了对结构色电子皮肤材料体系的全面理解，可能错过发现具有更优性能或更适合特定应用场景材料的机会。