香港理工大學(xué)研發(fā)出一種適用于穿戴式電子設(shè)備的高透氣及超彈性導(dǎo)電材料。此種創(chuàng)新導(dǎo)電材料是 以涂抹或者印刷方法將液態(tài)金屬物料加于彈性纖維網(wǎng)上,這種彈性纖維網(wǎng)是以靜電紡絲程序制成, 透氣度高、彈性強、能導(dǎo)電且導(dǎo)電穩(wěn)定性高,可以廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測設(shè)備、軟體機械人和貼在皮 膚上的電子裝置。本研究項目的結(jié)果(Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics)已經(jīng)發(fā)表在《Nature Materials》雜志上。
據(jù) IDTechEX 預(yù)測,在智能電話之后,穿戴式電子產(chǎn)品將會在市場上具有龐大的發(fā)展?jié)摿?,預(yù)計到 2026 年,市場總值將超過 1500 億美元。穿戴式電子設(shè)備、貼在皮膚上的電子裝置、軟體機械人和生物電子零件均需采用高彈性的電子裝置和系統(tǒng)部件。
然而,現(xiàn)時很多這類部件只能裝嵌在不透氣的彈性厚片上,長時間佩戴會引致嚴(yán)重皮膚敏感、發(fā)炎等問題。此外,由于市場上用于電子裝置的材料透氣度低,不適合把具感應(yīng)功能的裝置植入,然后疊起多層嵌置在產(chǎn)品中;因此令可拉展的電子裝置產(chǎn)品在功能增潤方面受到局限。
由香港理大紡織及服裝學(xué)系鄭子劍教授所領(lǐng)導(dǎo),并由應(yīng)用物理學(xué)系、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系跨專業(yè)科研人員組成的研究團隊,成功研發(fā)出新型高透氣、超彈性的導(dǎo)電材料,該導(dǎo)電材料能應(yīng)用于多功能并可與生物兼容的電子設(shè)備。此創(chuàng)新導(dǎo)電材料名為「液態(tài)金屬纖維氈」(liquid-metal fibre mat),利用涂抹或打印技術(shù),把液態(tài)金屬加于以靜電紡絲制成的彈性纖維網(wǎng)上,再經(jīng)過拉展程序,懸掛在彈性纖維網(wǎng)之間的液態(tài)金屬便會自行形成橫向多孔、縱向彎曲的結(jié)構(gòu)?!敢簯B(tài)金屬纖維氈」透氣度極高,并且經(jīng)拉力測試后仍能維持高彈性和超高導(dǎo)電能力。此外,物料亦具備優(yōu)良的生物兼容性,可直接在人體皮膚上使用。
鄭教授解釋 :「我們所選用的液態(tài)金屬是通常用于制造可屈曲電路板的低熔點鎵銦合金(EGaIn),并打印在通常用于手套、氣球等橡膠產(chǎn)品的彈性苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯(poly(styrene-block-butadiene-blockstyrene),SBS)物料上,組合成『液態(tài)金屬纖維氈』。之后我們把氈子拉展至 18 倍,并重復(fù)進(jìn)行 12 次,氈子便會自動形成一些小孔,令透氣度大大提高。以測試的樣本為例,我們把0.8mg cm-2 份量 EGaIn 涂印在 320 微米厚的 SBS 纖維物料上,再經(jīng)拉展程序后,其透氣度提升至每天 724gm-2,較日常用的護(hù)理膠布(每天 31gm-2 )高出 22 倍。樣本亦曾在活體小兔皮膚上進(jìn)行測試,生物兼容的效果理想,并沒有出現(xiàn)任何皮膚敏感的狀況?!?/p>
EGaIn 是一種在室溫下仍能保持液態(tài)的金屬材料,不但黏性低、導(dǎo)電能力高、毒性低,而且暴露在空氣時,能在表面迅速形成薄薄一層氧化物(Ga2O3)。經(jīng)過拉展程序后,氧化物會出現(xiàn)小孔和彎曲的折紋,令其變得更具彈性,導(dǎo)電效果更佳。
香港理大紡織及服裝學(xué)系鄭子劍教授率領(lǐng)團隊,成 功研發(fā)適用于穿戴式電子設(shè)備的「液態(tài)金屬纖維 氈」。這種創(chuàng)新導(dǎo)電材料透氣度高,而且極具彈 性,導(dǎo)電能力高,可印上相關(guān)電路,作為健康監(jiān)測 傳感器使用。
此外,研究團隊亦利用「液態(tài)金屬纖維氈」制成三片分別用以量度心電圖、汗液和溫度的傳感器,并且把它們迭在一起使用。迭起三層后,物料厚度約為一毫米,而三個傳感器均能正常運作,且保持高透氣度。這足以證明此創(chuàng)新的「液態(tài)金屬纖維氈」能夠疊起使用,具備多功能且穿戴舒適的優(yōu)點。
總之,「液態(tài)金屬纖維氈」是一種高透氣和超彈性的嶄新導(dǎo)電材料,通過把液態(tài)金屬涂抹或打印于彈性纖維物料,再經(jīng)過簡單的拉展程序而制成。即使疊起多層使用,仍能維持高透氣度。此創(chuàng)新導(dǎo)電材料有助于開發(fā)各種穿戴式電子設(shè)備,進(jìn)一步整合具有多項功能的設(shè)備,令長時間穿戴更感舒適。
本研究項目主要獲得香江學(xué)者計劃與香港研究資助局撥款支持。研究團隊會進(jìn)一步加強「液態(tài)金屬纖維氈」的性能,并開發(fā)不同類型的護(hù)理電子產(chǎn)品及系統(tǒng)。