武大《Small》：冷冻3D打印制备具有取向结构的可穿戴应变传感材料

来源：材料科学与工程

导读：本文采提出利用冷冻打印技术制备类似棕榈叶取向微孔结构技术，成功制备具有高灵敏度、高稳定性和宽检测范围的可穿戴应变传感材料，在智能工业和医疗保健等领域可具有巨大的应用潜力。

柔性可穿戴传感器因在电子皮肤、健康监测、软机器人和人机交互方面的潜在应用而备受关注。目前研究表明通过适当的微结构设计可以提供更多的电子信号传导路径变化，赋予导电材料高灵敏的传感性能。其中，由于具有高孔隙率的多孔结构可以在很大程度上被压缩，具有检测拉伸、压缩和扭转应变的能力，已经受到广泛研究。

近日，武汉大学薛龙建课题组报告了一种可大规模制备具有取向结构的圆丝材料（round wire with long-range orientated micropores, RW-LOW）的冷冻打印技术。通过掺入碳纳米管和聚二甲基硅氧烷构建成具有高灵敏度，稳定性和宽检测范围的可穿戴应变传感材料。相关论文以题为“Wires with Continuous Sabal Leaf-Patterned Micropores Constructed by Freeze Printing for a Wearable Sensor Responsible to Multiple Deformations”发表在Small。


论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202201091

在这项工作中，研究人员利用自制设备（如图1a），通过编程控制挤出头位移将预制备的羟甲基纤维素（CMC）水浆料挤出到冷源上，通过冷冻干燥升华冰晶过程，得到类棕榈取向微孔结构。利用该技术可以实现大规模1D\2D\3D具有取向微孔结构材料制备。浆料的热导率随着CMC浓度的增加而降低，在低浓度下，高导热性允许更多的冰晶形成和生长。因此，浆料中的CMC不能形成连续相，而形成棒状结构。在较高浓度下，冰晶的生长相对较慢，CMC形成连续层状结构。

图1. 具有大规模定向微孔（RW-LOM）的圆丝的制造。a）制备RW-LOM的自制装置示意图。b） 1D、2D 和 3D 图案 RW-LOM 的照片。c）RW-LOM横截面的X射线显微断层扫描图像。

图2. 不同浓度羧甲基纤维素（CMC）水浆制备的RW-LOM的内部结构

图3. RW-LOM内部结构形成的机理：局部温度梯度的3D方向决定了浆料打印过程中冰晶的生长方向

将碳纳米管（CNTs）加入CMC浆料中可以在结构不变情况下实现RW-LOM的功能化，成功制备具有导电网络的CNTs-RW-LOM材料，通过真空辅助渗透引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）可以赋予CNTs-RW-LOM高柔韧性和良好的机械强度，成功可以检测压缩，拉伸，扭曲和弯曲形变的可穿戴传感材料，表现出高灵敏度、高稳定性和宽检测范围（图5）。

图4. CNTs-RW-LOM的制备和机械性能

图5. CNTs-RW-LOM/PDMS传感器的传感性能。

总的来说，这项研究通过冷冻打印技术成功制备出类棕榈叶取向结构的微孔结构。引入CNTs和PDMS赋予RW-LOM导电性以及出色的柔韧性和机械强度，得到CNTs-RW-LOM/PDMS可穿戴应变传感材料。这项工作不仅建立了一种制造具有连续和平行孔隙的多孔圆丝的新技术，而且还提供了一种可用于语音识别，健康监测，体能训练和智能设备领域的传感材料，具有广泛的应用前景。