用一支铅笔一张纸绘制高精度柔性电子器件

近日,密苏里大学Zheng Yan教授团队针对传统柔性电子器件成本高、难制造、不易降解等缺点,提出了使用铅笔和纸制造柔性电子器件的方法,他们制作的器件包括温度传感器、电生理传感器、电化学汗液传感器、焦耳加热元件和湿度发电机,利用这些器件可以(1)实时、连续、高精度地记录身体的各种重要生理信息(如皮肤温度、心电图ECG、肌电图EMG、大脑α、β和θ节律、瞬时心率和呼吸频率),提供程序性的热刺激;(2)原位分析三种汗液标志物(pH、尿酸和葡萄糖),具有很高的灵敏度和选择性,(3)制作自供电系统,每0.87 cm2面积内可以持续产生480mV的电压,持续时间超过2 h。此外,他们还开发了一种自给式经皮给药系统,探索了铅笔和纸在天线、2D/3D电路、可生物降解电子器件等方向的应用。相关工作在PNAS上发表。

选择纸和铅笔的优点在于,纸张通常由天然纤维素纤维制成,可以在6周内完全分解,而且成本非常低廉(0.1美分/dm−2,它们的高柔韧性和透气性有利于在皮肤电子产品中的应用。铅笔芯是由细小的石墨粉和各种添加剂组成的,在书写过程中,由于铅笔芯和纸之间的摩擦,石墨颗粒被摩擦掉,导电石墨被转移到纸上,画出的石墨图案可用作导电线和传感电极,纸张作为柔性支撑基底,此外,将微量的粘合剂喷涂到没有石墨的裸露区域,可以改善皮肤与设备的粘附性。在该研究中,研究人员选用了9B铅笔,因为它们的石墨含量相对较高(93%)。纸张则是常见的A4办公用纸。

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文章中做出的器件也是十分酷炫。他们首先画了一个平面偶极子天线,它在无线电发射和接收领域有着广泛的应用。发现随着铅笔画石墨层数的增加,天线的损耗电阻降低了,实验与理论模拟值也非常接近。另外,由于器件采用了蛇形网状结构和Kirigami剪纸策略,在拉伸状态下的电阻变化也非常小。将画出的电路和LED灯连接,用橡皮一擦,灯就会熄灭,再画几笔,灯又重新亮了起来。

接着他们画了一个温度传感器和电生理传感器。器件电阻对温度十分灵敏,还可以作为加热元件在皮肤上使用。在电生理传感器的测试中,器件的接触阻抗和信噪比与传统的Ag/AgCl凝胶电极相当,测量的心电、肌电信号也都十分灵敏。

这个器件还可以高精度、实时的测量脑电波,持续监测大脑活动对于研究认知行为至关重要,脑电活动可分为5个频段:δ波、θ波、α波、β波和γ波,每个频段都与不同的精神状态相关联。图3显示了受试者三种精神状态下信号强度的明显差异。

探索还没有结束,作者又开发了基于纸笔的pH、UA和葡萄糖传感器用于原位汗液生化分析,与生物物理信号的实时测量相结合,可以提供人体的健康状况,器件的稳定性、选择性都十分优异,测量结果与传统方法十分接近。

利用能量收集装置可以得到自供电可穿戴设备。作者通过电极化手段在材料上形成含氧基团浓度梯度,含氧基团从环境中吸收水分子,通过水解产生氢离子的浓度梯度,在浓度梯度的驱动下,利用氢离子的扩散实现发电。这个能量收集器(有效器件面积∼0.87cm-2)在相对湿度为∼95%的情况下,可以产生高达∼480 mV的持续开路电压,并持续2 h以上,基于此作者开发了一种概念性的自供电经皮给药系统。[高分子科学前沿]

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