□ 李傳福
在科技日新月異的今天,可穿戴電子設備逐漸成為大多數(shù)人生活中不可或缺的一部分。從智能手表監(jiān)測健康數(shù)據(jù),到智能衣物提供舒適體驗,這些創(chuàng)新產(chǎn)品正在改變著我們與科技互動的方式。然而長期以來,一個關鍵的技術難題限制了可穿戴電子設備的發(fā)展,那就是傳統(tǒng)電極材料的僵硬性。
柔軟彈性電極材料的出現(xiàn)為這一困境帶來了轉(zhuǎn)機。日前,美國加州大學圣迭戈分??茖W家在《科學·機器人》期刊發(fā)表一項最新科研成果,一種由既導電又可拉伸的聚合物電極材料開發(fā)的可穿戴電子設備,不會增加佩戴者的不適感。
傳統(tǒng)的電極材料,如金屬和剛性無機化合物,雖然在導電性方面表現(xiàn)出色,但它們的機械性能無法滿足可穿戴設備的需求。人體皮膚柔軟且具有彈性,而僵硬的電極材料無法與皮膚緊密貼合,從而導致信號采集不準確和不穩(wěn)定。這對于依賴精確生物信號監(jiān)測的可穿戴設備,如心率監(jiān)測器和血糖儀,是一個嚴峻的考驗。
為了解決傳統(tǒng)電極材料的局限性,科學家們致力于研發(fā)各種柔軟彈性電極材料。目前,主要的柔軟彈性電極材料包括導電聚合物和碳納米材料,如石墨烯和碳納米管。
導電聚合物具有良好的柔韌性和可加工性,其電導率可以通過化學摻雜或結(jié)構設計進行調(diào)控。例如,聚苯胺、聚噻吩等導電聚合物,在拉伸和彎曲狀態(tài)下仍能保持較好的導電性,并可通過溶液加工的方法制備成薄膜或纖維,適用于大面積可穿戴電子設備。
作為碳納米材料的代表,石墨烯和碳納米管具有優(yōu)異的導電性、機械強度和柔韌性。石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維材料,具有極高的載流子遷移率和出色的柔韌性;碳納米管則是一維的納米材料,長徑比大,能在彎曲和拉伸時保持良好的導電性能??蒲腥藛T將這些碳納米材料與聚合物復合,可制備出高性能的柔軟彈性電極。
制備柔軟彈性電極材料的方法多種多樣?;瘜W合成法是制備導電聚合物的常用方法,通過控制反應條件和反應物的比例,可以精確地合成具有特定結(jié)構和性能的柔軟彈性電極材料。例如,在合成導電聚合物時,可通過調(diào)整摻雜劑的種類和濃度來優(yōu)化其導電性和柔韌性。溶液加工法是一種簡單、低成本,且易于大規(guī)模生產(chǎn)的方法。例如,科研人員將導電聚合物溶解在適當?shù)娜軇┲?,通過旋涂、噴墨打印或絲網(wǎng)印刷等方式,可將其制備成薄膜或圖案。同樣,碳納米管和石墨烯也可以通過溶液加工法制備成柔軟彈性電極。
柔軟彈性電極材料的出現(xiàn)為可穿戴電子設備帶來了廣泛的應用前景。在健康監(jiān)測領域,柔軟彈性電極可集成到智能手環(huán)、智能貼片和智能衣物中,實時監(jiān)測心率、血壓、血糖、體溫等生理參數(shù)。這些電極能緊密貼合皮膚,準確采集生物信號,為醫(yī)療診斷和健康管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在運動追蹤方面,可穿戴設備中的柔軟彈性電極,可以監(jiān)測運動員的動作、姿勢和肌肉活動,幫助他們優(yōu)化訓練方案,提高運動表現(xiàn),同時降低受傷的風險。在人機交互領域,柔軟彈性電極材料可應用于智能手套、智能表帶等設備,實現(xiàn)更加自然和直觀的操作方式。例如,通過檢測手指的彎曲和觸摸動作,柔軟彈性電極材料可實現(xiàn)對電子設備的控制。此外,它們還可用于能量收集和存儲設備,如柔性太陽能電池和超級電容器,為可穿戴設備提供持續(xù)的能源供應。
未來,柔軟彈性電極材料將不斷創(chuàng)新和完善,使可穿戴電子設備變得更加輕薄、舒適、智能和多功能。它們不僅僅是我們生活中的輔助工具,更有可能成為我們身體的一部分,為人們的健康、工作和娛樂帶來前所未有的便利和體驗。
(作者系華中科技大學綠色能源工業(yè)研究中心工程師、英國皇家化學會會員)