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    寧波材料所開發出自修復、可粘附高分子水凝膠柔性觸摸屏
    作者:,日期:2020-11-11

      信息和物聯網技術的迅速發展,催生了對電子系統的柔性化需求。觸摸屏是十分普及的人機交互媒介,其中最關鍵的材料是透明導電薄膜。傳統的觸摸屏基于氧化銦錫(ITO)透明導電薄膜制備,還存在硬、易碎、不能彎曲折疊、不能共形貼合于曲面或人體以及碎裂后不可自修復等不足。設計具有自修復和可逆粘附功能的柔性透明導電材料,結合位置傳感技術,制作柔性觸摸屏,實現其貼附于任意曲面或穿戴于人體的應用,是柔性電子領域的迫切需求。水凝膠是含水聚合物網絡材料,具有雙連續相結構,其中,聚合物網絡賦予其柔性固體性質,水和溶解的可移動離子賦予其離子導電性。如何進行分子和網絡結構設計,使離子導電水凝膠具有高透光性、良好的力學、自修復和粘附性能,在此基礎上構建高分辨觸摸屏,具有重要的科學意義和使用價值。

      基于近年來在高分子水凝膠分子設計以及在形狀記憶、智能驅動、柔性傳感等領域應用的研究基礎(Adv Funct Mater, 2018, 28, 1704568; ACS Sensor, 2018, 3, 2394; Adv Sci, 2019, 6, 1801584; Sci China Mater, 2019, 62, 831; ACS Macro Lett, 2019, 8, 937; Adv Funct Mater, 2019, 1905514; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,16243; Research, 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007885; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI:10.1002/anie.202011645),中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員團隊與中科院納米能源與系統研究所王中林院士、潘曹峰研究員團隊合作,開發了一種可粘附于任意曲面使用的自修復水凝膠觸摸屏(Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004290)。

      這樣的水凝膠是在納米粘土([Mg5.34Li0.66Si8O20(OH)4]Na0.66)水溶液中原位聚合兩性離子單體(3-[[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲銨基]丙烷-1-磺酸鹽(DMAPS))而合成的。其中的可移動離子為Na+(圖1a)。聚合物/粘土間的非共價吸附交聯作用,以及聚合物分子鏈上的正負電荷基團吸引,賦予水凝膠自修復功能(圖1b-c)。兩性離子基團與皮膚等被粘物的極性相互作用,賦予其可逆粘附性(圖1d-e)。研究人員采用表面電容觸控(SCT)技術,首先構建了1D水凝膠觸摸條(圖1f-g)。其電路搭接方法如圖1a:在水凝膠條兩端分別接電極、外部電阻,再接入交流電源。手指定位原理如下:手指觸碰凝膠時,與凝膠間形成耦合電容(Cfinger),因此,電流可以經手指接地,形成通路;凝膠可看作電阻(Rh),該電阻被手指分為左、右兩部分,各部分電阻值與其歸一化長度(x、1-x)成正比;左、右兩部分凝膠電阻并聯,且分別串聯一個外部電阻(Re),然后接入同一交流電源;因為并聯電路兩端電壓相等,所以,當手指移向凝膠右側,則右側凝膠分得的電壓減小,而右側外部電阻上電壓增大,相應地,左側凝膠分得的電壓增大,左側外部電阻上電壓減小;從而,根據外部電阻上的電壓值可以確定x值,即手指位置(圖1f-g)。

      水凝膠觸摸屏具有良好的力學性能和透明度,斷裂伸長率>1500%,對可見光(400-800nm)的平均透過率為98.8%,經折疊、彎卷、扭轉后或在拉伸狀態下仍能保持高度透明。為提供舒適的觸碰體驗,并延緩凝膠水份揮發,可在凝膠表面覆蓋PDMS薄膜。水凝膠可粘附在濾紙、玻璃、丁腈橡膠、木頭、棉布、PET、ABS、VHB膠帶、硅橡膠、尼龍、PMMA、PS、PE等多種塑料、橡膠、織物或天然絕緣材料上。影響粘附牢固程度的因素包括水凝膠-基材間的靜電、氫鍵、偶極等作用強度,基材表面粗糙度,凝膠高分子鏈-基材間拓撲纏結,以及粘附界面的能量耗散能力。隨基材種類不同,粘附強度在1.941kPa,粘附韌性在3818Jm-2之間變化。水凝膠觸摸屏具有快速的導電性自修復能力,和優異的拉伸性能自修復效率(圖2)。在凝膠中通直流電,切斷,再拼接,電流經21s恢復。拼接24h,斷裂伸長率回復至98%。拼接后的凝膠條仍具有手指定位功能,可用于彈奏電腦鋼琴游戲。

      進一步地,研究人員將表面電容觸控技術應用于2D水凝膠方片,實現了手指定位功能,構建了水凝膠觸摸屏(圖3);將觸摸屏集成到計算機上,實現了文字、圖像、指令輸入功能。這樣的觸摸屏可用于寫字、畫畫,或穿戴于手臂用于操控電腦游戲。

      本工作為自修復、可粘附柔性觸摸屏的開發提供了新材料設計思想和位置傳感的技術支持。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目、中科院青促會、北京市科技委項目、北京市自然科學基金等項目資助。

      圖1 自修復、可粘附位置傳感器:(a)1D水凝膠觸摸條構筑結構;切斷-拼接的水凝膠經(b)靜電吸引和(c)高分子鏈/粘土非共價吸附交聯而自修復;(d)水凝膠與皮膚間的極性非共價作用,和(e)粘附于皮膚的照片;(f)手指在1D觸摸條上逐點移動,V1電壓隨手指位置的變化;(g)手指觸碰x=14/15前后,V1電壓的變化

      圖2 自修復1D水凝膠觸摸條:(a)不同修復時間水凝膠的拉伸曲線;(b)水凝膠斷面拼接-拉伸照片;(c)切斷-拼接前后,水凝膠上電流的變化1;D觸摸條切斷-拼接(d)前(e)后,V1電壓隨手指滑動位置的變化;粘附于尼龍棒的觸摸條(f)被切斷-拼接,并用于(g)彈奏游戲鋼琴

      圖3 2D水凝膠觸摸屏:(a)觸摸屏電路圖和觸碰位置(輸入位置);(b)與觸碰位置對應的V1、V2、V3、V4電壓峰值;(c)由電壓值算得的觸碰位置(輸出位置);觸摸屏(d)集成于個人電腦系統,并(e)用于寫字

    (高分子與復合材料實驗室 高國榮)

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