登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《宁波材料所开发出自修复、可粘附高分子水凝胶柔性触摸屏》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2020-11-12

  • 信息和物联网技术的迅速发展，催生了对电子系统的柔性化需求。触摸屏是十分普及的人机交互媒介，其中最关键的材料是透明导电薄膜。传统的触摸屏基于氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜制备，还存在硬、易碎、不能弯曲折叠、不能共形贴合于曲面或人体以及碎裂后不可自修复等不足。设计具有自修复和可逆粘附功能的柔性透明导电材料，结合位置传感技术，制作柔性触摸屏，实现其贴附于任意曲面或穿戴于人体的应用，是柔性电子领域的迫切需求。水凝胶是含水聚合物网络材料，具有双连续相结构，其中，聚合物网络赋予其柔性固体性质，水和溶解的可移动离子赋予其离子导电性。如何进行分子和网络结构设计，使离子导电水凝胶具有高透光性、良好的力学、自修复和粘附性能，在此基础上构建高分辨触摸屏，具有重要的科学意义和使用价值。 　　基于近年来在高分子水凝胶分子设计以及在形状记忆、智能驱动、柔性传感等领域应用的研究基础（ 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 ），中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员团队与中国科学院纳米能源与系统研究所王中林院士、潘曹峰研究员团队合作，开发了一种可粘附于任意曲面使用的自修复水凝胶触摸屏（ Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004290 ）。

88浏览量
原文链接
相关报告

  • 《宁波材料所在智能高分子水凝胶传感驱动功能集成方面取得进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2021-03-11
    • 自然界生物通过感知外界环境变化并调节自身运动模式从而能够更好地在周围环境中生存，例如能够感知被抓取物体的形态和压力，并据此来调整运动的程度以准确抓握物体并避免对自身的伤害。就人体而言，实现这一功能主要是通过皮肤和肌肉的协作配合，皮肤可及时准确感知外界刺激，肌肉对其做出相应的驱动反应。受到这些功能的启发，人们致力于利用各种软材料来模仿构建这种兼具传感和驱动功能的材料。水凝胶驱动器可在多种外界刺激下自发产生形变，具有良好的生物可容性，且对环境友好，在软体机器人方面具有广泛的应用前景。虽然目前已经报道了大量具有不同形变模式的水凝胶驱动器，但是这类材料通常仅具备驱动功能，驱动过程不能实现及时的数字化检测与反馈，限制了其进一步发展。 　　 近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组陈涛研究员与张佳玮研究员一直致力于智能变形水凝胶的研究（ Chem. Commun. 2018, 54, 1229; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568; Adv. Sci. 2019, 6, 1801584; Research 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Small 2020, 2005461 等），同时在柔性传感器研究方面也有多年的积累（ J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140; Chem. Mater., 2018, 30, 4343; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26631; ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Adv. Mater., 2020, 2004290; Nat. Commun., 2020, 11, 4359 等）。近期受到人体皮肤和肌肉协同工作的启发，开发了一种具有自传感功能的软驱动器。 　　 该工作通过将聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝胶与超薄的Ecoflex弹性体/碳纳米管（CNTs）Janus膜集成为一个三层复合结构以模仿肌肉与皮肤的协作功能。以PNIPAm水凝胶的温度响应收缩与膨胀模仿肌肉的驱动行为，通过导电的Ecoflex/CNTs膜模仿皮肤的感知功能。同时借助CNTs的光热转换能力，当近红外光照射时，PNIPAm水凝胶温度升高，从而发生收缩形变。由于Ecoflex/CNTs膜不能在近红外光照射下发生形变，驱动器为各向异性驱动，整体向PNIPAm水凝胶侧弯曲，根据压阻传感机理，驱动器的形变会引起碳纳米管导电网络间接触电阻的变化，从而实现利用电信号对变形功能的实时监测。根据监测结果，可以得知驱动程度并据此控制近红外光照射时间，从而调控材料的变形行为。研究人员将该驱动器与其他机械部件结合，设计了可在近红外光照射下抬起的模拟手臂和能抓取不同大小物体的机械抓手。在机械抓手抓取不同大小物体过程中，可通过电信号的反馈比较物体的大小并调节近红外光照射的时间与强度。该工作成功地将传感与驱动功能集成到一个三层复合结构中，实现了驱动传感一体化，为开发新型智能集成软机器人提供了新思路。 　　 该工作以题为“symmetric bilayer CNTs-elastomer/hydrogel composite as soft actuators with sensing performance”的论文发表在 Chemical Engineering Journal （2021, 415, 128988）。本研究得到了国家自然科学基金（51873223、52073295），中国科学院青年创新促进会（2017337），海洋新材料与应用技术重点实验室开放基金（2020K05），宁波自然科学基金（202003N4359）等项目的支持。
    202浏览量
    原文链接

  • 《宁波材料所在高分子水凝胶驱动器方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-09-18
    • 在亿万年的自然演化中，一些生物体逐渐发展出体色、形态等随环境变化的能力。其中，最典型的例子就是变色龙：它能够根据外部环境或情绪心理的变化来快速改变肤色，以达到伪装或交流的目的。研究表明，变色龙的皮肤具有特殊的多层色素细胞构造，环境或情绪的变化会诱导皮肤肌肉运动，改变皮肤多层色素细胞的分布，进而实现多样化的身体颜色变化。这一有趣的生物体变色现象启发科学家们构建了多种基于高分子薄膜和弹性体的智能仿生软体机器人，这些具有变色功能的伪装机器人在自然环境中表现出类生物体的行为，不易被识别和破坏，因而在海洋探索、生物学研究、环境考察等方面应用前景巨大。相较于高分子薄膜和弹性体，高分子水凝胶具有与生物组织相当的模量及软、湿等特性，可能更加适宜于变色软体机器人的构建。因此，如何通过各向异性高分子水凝胶的组成结构设计，实现驱动与智能荧光色变等功能的协同来构建具有变色功能的水凝胶驱动器，就成为我们格外关注的关键问题。 　　近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组陈涛研究员和路伟副研究员在智能荧光高分子水凝胶的分子设计及材料构建方面开展了大量的基础研究工作（Adv. Funct. Mater. 2019, 1905514; ACS Macro Lett. 2019, 8, 937; Sci. China Mater.2019, 62, 831; ACS Sensors 2018, 3, 2394; Adv. Mater. Technol. 2018, 1800201; J. Phys. Chem. C 2018, 122, 9499; Macromol. Rapid Commun.,2018, 39, 1800648; Macromol. Rapid Commun.2018, 39, 1800130; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 23884）。基于以上研究，该团队在2018年通过苝酰亚胺功能化荧光高分子水凝胶和氧化石墨烯杂化聚异丙基丙烯酰胺水凝胶功能模块的超分子宏观组装，初步实现了复杂形变和智能荧光性能的协同（Adv. Funct. Mater. 2018, 1704568）。然而，尽管这种高分子驱动器同时兼具复杂变形和“开-关”荧光功能，它却只能发出一种荧光颜色（黄色），远远落后于自然界中的变色龙等可显示丰富多彩肤色变化的生物体。 　　近日，该团队在Angew. Chem. Int. Ed. 上报道了一种兼具3D复杂形变-智能色变功能的多色荧光高分子水凝胶驱动器（图1），题为“Bioinspired Synergistic Fluorescence-Color Switchable Polymeric Hydrogel Actuator”(DOI: 10.1002/anie.201908437)。在该工作中，研究人员从多色荧光单体分子设计的源头出发，合成了一种含有吡啶羧酸盐配体的单体6APA，其与N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、甲双叉丙烯酰胺经自由基聚合制备的温敏性高分子水凝胶（PNIPAM-K6APA）的荧光强度很弱，但稀土铕（Eu3+）和铽离子（Tb3+）的分别掺杂会诱导吡啶羧酸盐配体的能量转移，进而发出明亮的红色和绿色荧光，进一步地，可以通过不同比例铕和铽离子与吡啶羧酸盐配体的竞争配位作用的调控来获得红色和绿色相叠加的多色荧光。该荧光水凝胶具有丰富的刺激响应性，酸碱、竞争配位阴/阳离子等的刺激都会改变其荧光颜色（图2）。基于这一智能荧光色变原理，研究人员以温敏性PNIPAM-K6APA为主动层、称量纸为被动层构建了一种各向异性荧光高分子水凝胶驱动器。如图3所示，在碱和温度的交互刺激下，一对分别基于红色荧光Eu-PNIPAM-K6APA和绿色荧光Tb-PNIPAM-K6APA驱动器的仿生变色龙表现出协同的肤色变暗和身姿形变，模仿出变色龙在意欲发动攻击时心理情绪变化诱导的肤色变暗现象；类似地，在铽离子和温度的交互刺激下，基于红色荧光Eu-PNIPAM-K6APA驱动器的仿生变色龙表现出与协同的身姿形变和“红转黄绿”肤色改变，初步模仿出变色龙在环境变化诱导下的皮肤颜色变化多样性（图4）。 　　在该工作中，研究人员通过各向异性多色荧光高分子水凝胶驱动器的组成结构设计，协同利用竞争配位调控的荧光色变和温度控制的形状改变，制备了一种具有类变色龙行为的高分子水凝胶基软体机器人。尽管现在的变色软体机器人在结构设计和功能展示上还比较粗糙，但这一成功实例证明了变形变色等多功能协同的软体机器人的可行性，为未来多功能软体机器人的开发和应用奠定了基础。 　　以上工作得到了国家自然科学基金（21774138, 51773215, 51873223）、中国科学院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中国科学院青年创新促进会（2019297, 2017337）、中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室开放基金（2018K02）等项目的资助。
    191浏览量
    原文链接