輕薄、透明以及自修復(fù)功能的電子皮膚可極大地促進(jìn)可穿戴電子設(shè)備、柔性顯示器以及軟體機(jī)器人的多功能發(fā)展。然而，由于對(duì)模具的依賴性以及封裝問題，目前大多數(shù)基于液態(tài)離子或者水凝膠材料制備的自修復(fù)柔性電子器件的厚度大約在500 μm 到幾毫米。同時(shí)，一些自修復(fù)材料或者電極材料本身的不透明性限制了柔性電子器件在高透光需求場(chǎng)景的應(yīng)用。開發(fā)同時(shí)具有輕薄、高透明度和高穩(wěn)定性的自修復(fù)電子皮膚仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
近期，中科院北京能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員課題組與蘇州大學(xué)能源學(xué)院特聘教授劉瑞遠(yuǎn)以及中科院化學(xué)研究所來悅博士合作設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于自驅(qū)動(dòng)觸覺和非接觸式傳感的超。<10 μm）、高透明（>92%）的自修復(fù)電子皮膚。通過將軟動(dòng)態(tài)鍵鎖定在硬鏈聚合物基質(zhì)中均勻控制彈性體，從而實(shí)現(xiàn)彈性體快速自修復(fù)功能，并獲得近100%的透明度和優(yōu)異的機(jī)械性能。另外，在彈性體中引入無定形微相分離材料和透明導(dǎo)電聚合物成功制備出厚度低至幾微米的獨(dú)立式超薄超透明電子皮膚。基于摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，3 μm厚的電子皮膚器件在人體運(yùn)動(dòng)的條件下可產(chǎn)生26 V的電壓，并且經(jīng)過45,000次半徑為0.5 mm的彎曲性能測(cè)試和146,000次工作循環(huán)測(cè)試后，還能繼續(xù)保持優(yōu)異的電學(xué)性能。最終，這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的超薄、高透明度、快速自修復(fù)性能和高機(jī)械柔韌性電子皮膚初步并且首次實(shí)現(xiàn)了基于電子皮膚的非接觸式智能操控手機(jī)指令，為智能人機(jī)交互提供了獨(dú)特的未來應(yīng)用場(chǎng)景。工作以“Ultrathin, transparent, and robust self-healing electronic skins for tactile and non-contact sensing”為題發(fā)表在國際著名期刊《Nano Energy》上（Nano Energy, 2022, 107056）。文章第一作者劉瑞遠(yuǎn)現(xiàn)為蘇州大學(xué)能源學(xué)院特聘教授，共同一作為中科院化學(xué)研究所來悅博士以及中科院北京能源與系統(tǒng)研究所李紹欣博士，通訊作者為中科院北京能源與系統(tǒng)研究所王中林院士，共同通訊作者為中科院北京能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員，中科院化學(xué)研究所董俠研究員。研究得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和北京市科委的支持。
圖1 高度透明自修復(fù)熱塑性彈性體的合成。（a）自修復(fù)彈性體的合成示意圖和分子結(jié)構(gòu)；（b）彈性體通過動(dòng)態(tài)二硫化物和高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的強(qiáng)氫鍵相互作用進(jìn)行自我修復(fù)；（c）不同膜厚彈性體的透射光譜；（d）自修復(fù)熱塑性彈性體的實(shí)物照片；（e）厚度為3微米的彈性體薄膜的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。
圖2 熱塑性彈性體的性能表征和自修復(fù)功能展示。（a）彈性體的原子力顯微鏡（AFM）圖像；（b）二硫鍵比例為8%的彈性體在50℃下被切割后，不同修復(fù)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變-應(yīng)力曲線；（c）二硫鍵比例為3%的彈性體在拉伸應(yīng)變為0%和2600%下的照片；（d）厚度為2 mm的彈性體切割前和愈合后在50℃條件下經(jīng)過5分鐘時(shí)間的光學(xué)圖像。（薄膜的頂部用墨水標(biāo)記）；（e）兩片彈性體（粉紅色和藍(lán)色）在愈合后被拉伸和彎曲的照片。
圖3 超薄、超透明自修復(fù)摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的設(shè)計(jì)、光學(xué)和電學(xué)特性。（a）附在手腕上的摩擦電子皮膚的照片。插圖是完美貼合手腕皺紋的電子皮膚的放大圖像；（b）超薄TENG橫截面的掃描電鏡圖像，其中聚苯乙烯納米球（直徑，360 nm）嵌入彈性體層和PEDOT:PSS之間以增強(qiáng)觸覺靈敏度。插圖是沒有覆蓋納米球的掃描電鏡圖像。比例尺：500 nm；（c）厚度為3μm的TENG經(jīng)過自修復(fù)前后的透射光譜。在可見光范圍（400-800 nm）內(nèi)記錄了超過92%的平均透射率。插圖是在印刷彩色圖案上TENG的照片；（d）TENG與PTFE/Cu在接觸分離模式下產(chǎn)生的電壓（面積：4 cm2；頻率：1 Hz；力：5 N）。插圖是TENG的示意圖和工作原理，其中自修復(fù)彈性體用作摩擦電層，PEDOT:PSS 用作集電器；（e）TENG以半徑0.5 mm彎曲45,000次后電學(xué)性能的結(jié)果；（f）TENG經(jīng)過146,000次循環(huán)的運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試；（g）TENG在機(jī)械損傷前和修復(fù)后的輸出電壓；（h）機(jī)械力對(duì)有和沒有納米球TENGs輸出電壓的影響；（i）基于靜電感應(yīng)效應(yīng)，不同分離距離下TENG產(chǎn)生的電壓。
圖4 基于TENG的非接觸式手勢(shì)控制應(yīng)用展示。（a）非觸控手勢(shì)控制系統(tǒng)的示意圖及流程；（b）超薄TENG貼在手機(jī)屏幕保護(hù)膜前后的照片；（c）在劃傷前和修復(fù)后，在屏幕上方約2 cm處戴手套揮手時(shí)從屏幕發(fā)出的感應(yīng)電壓信號(hào)；（d）在通話時(shí)在屏幕上方揮手；（e）揮手后接聽電話。
原文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522001409?via%3Dihub
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