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西南交通大学郑晓彤课题组:可“记忆”编程的仿生柔性电子薄膜
2019-12-26  来源:高分子科技

  近年来,柔性可伸缩导电器件在超级电容器、纳米发电机、传感器和电子皮肤等领域受到越来越多的关注。由于弹性材料和嵌入结构的限制,在实际应用中,这些薄膜在一定的变形状态下无法保持长期稳定的电性能。因此,基于形状记忆功能的可固定和变形逆的柔性导电薄膜器件的研究能解决柔性电子薄膜器件实际应用的延展稳定问题。

  近日,西南交通大学郑晓彤课题组从攀藤植物缠绕竹茎可以很好地提升力学稳定性的自然现象中获得灵感,成功制备了一种基于纳米纤维双层网络结构的具有高延伸率和形状记忆特性的聚己内酯/聚乙二醇/银纳米线的复合薄膜(PPAFs),金属银纳米线如穿线般插入聚合物纤维中,形成相互缠绕的互穿网络结构(图一)。该仿生薄膜具有良好且稳定的导电性,它不仅可以在拉伸范围内实现形状固定和变形的可逆传导,还可以在形状记忆-回复周期内实现材料电阻与变形率之间的可编程特性。因此该材料在柔性器件以及微电路中具有重要的应用前景。

 图一  具有互穿网络结构的仿生PPAFs

  如图二,该薄膜在同一变形率下进行形状记忆循环实验时,其电阻具有“记忆特性”,此外材料在其拉伸率范围内仍处于导电状态。相反地,对于同一样品在形状记忆-回复周期内对其进行连续的不同延伸率的变形时(即预拉伸,且预拉伸时的变形率要低于二次变形率),材料的电阻会出现骤增直至绝缘状态,实现自身的“导电-绝缘-导电”的转换,这也为材料在开关/转换器件应用领域提供了一种可能。

图二 PPAFs的电阻变化 (a)PPAFs的电阻随弯曲次数的变化(b)在拉伸率为10%、30%、50%时, PPAFs在变形周期内的电阻变化 (c)在拉伸率为10%、30%、50%时,PPAFs在一个变形周期内的电阻变化 (d)PPAF在不同拉伸率下电阻平均变化值 (e)(f)PPAFs在不同变形率的连续变形下,电阻在变形周期内的变化 

  基于以上电阻特性,通过微电路和proteus仿真设计,成功实现了可编程电导率和记忆周期特性的PPAFs在监测、开关和报警装置中的应用。

图三  具有双层网络结构的PPAFs

PPAFs作为监测器件的应用

图四 PPAFs作为检测器件的(a)工作示意图 (b)电路图和工作时的(c)实时电阻和(d)电阻变化情况

PPAFs作为转换器件的应用

图五 PPAFs作为转换器件的(a-h)工作示意图和工作时的(i)实时电阻和(j)电阻变化情况

PPAFs作为报警器件的应用

图六 PPAFs作为报警器件的(a、h)工作示意图、(c)模拟微电路、(d)报警原理、(g)薄膜变形率和电阻的变化关系和(h)不同形状记忆周期内的电阻变化曲线

  该研究的重要意义在于,设计了一种相互穿插的双层网络结构,使具有记忆特性和延展性的PPAFs实现高延伸形态下的可固定和变形可逆功能。通过对该仿生复合薄膜的检测、转换和报警等多模式下的设计及应用研究,展示了可编程特性的柔性导电薄膜的应用前景。

  相关研究论文发表:

  Pandeng Tang,Xiaotong Zheng*, Huikai Yang, Jing He, Zhiwen Zheng, Weiqing Yang, Shaobing Zhou. Intrinsically Stretchable and Shape Memory Conducting Nanofiber for Programmable Flexible Electronic Films. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b14430.

  https://doi.org/10.1021/acsami.9b14430

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(责任编辑:xu)
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