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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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寧波材料所等開發(fā)出自修復(fù)、可粘附高分子水凝膠柔性觸摸屏

2020-11-18 寧波材料技術(shù)與工程研究所

【字體：大中小】

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　　基于近年來在高分子水凝膠分子設(shè)計(jì)以及在形狀記憶、智能驅(qū)動、柔性傳感等領(lǐng)域應(yīng)用的研究基礎(chǔ)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤團(tuán)隊(duì)與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種可粘附于任意曲面使用的自修復(fù)水凝膠觸摸屏。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials上。

　　這樣的水凝膠是在納米粘土（[Mg_5.34Li_0.66Si₈O₂₀(OH)₄]Na_0.66）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））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(lián)作用，以及聚合物分子鏈上的正負(fù)電荷基團(tuán)吸引，賦予水凝膠自修復(fù)功能（圖1b-c）。兩性離子基團(tuán)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(shù)，首先構(gòu)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（C_finger），因此，電流可以經(jīng)手指接地，形成通路；凝膠可看作電阻（R_h），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(lián)，且分別串聯(lián)一個外部電阻（R_e），然后接入同一交流電源；因?yàn)椴⒙?lián)電路兩端電壓相等，所以，當(dāng)手指移向凝膠右側(cè)，則右側(cè)凝膠分得的電壓減小，而右側(cè)外部電阻上電壓增大，相應(yīng)地，左側(cè)凝膠分得的電壓增大，左側(cè)外部電阻上電壓減小；從而，根據(jù)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(xué)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(jīng)折疊、彎卷、扭轉(zhuǎn)后或在拉伸狀態(tài)下仍能保持高度透明。為提供舒適的觸碰體驗(yàn)，并延緩凝膠水份揮發(fā)，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(qiáng)度，基材表面粗糙度，凝膠高分子鏈-基材間拓?fù)淅p結(jié)，以及粘附界面的能量耗散能力。隨基材種類不同，粘附強(qiáng)度在1.941kPa，粘附韌性在38～18Jm^-2之間變化。水凝膠觸摸屏具有快速的導(dǎo)電性自修復(fù)能力，和優(yōu)異的拉伸性能自修復(fù)效率（圖2）。在凝膠中通直流電，切斷，再拼接，電流經(jīng)21s恢復(fù)。拼接24h，斷裂伸長率回復(fù)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。

　　研究人員進(jìn)一步將表面電容觸控技術(shù)應(yīng)用于2D水凝膠方片，實(shí)現(xiàn)了手指定位功能，構(gòu)建了水凝膠觸摸屏（圖3）；將觸摸屏集成到計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)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(fù)、可粘附柔性觸摸屏的開發(fā)提供了新材料設(shè)計(jì)思想和位置傳感的技術(shù)支持。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院青年促進(jìn)創(chuàng)新會、北京市科技委項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

　　論文鏈接

　　圖1 自修復(fù)、可粘附位置傳感器：（a）1D水凝膠觸摸條構(gòu)筑結(jié)構(gòu)；切斷-拼接的水凝膠經(jīng)（b）靜電吸引和（c）高分子鏈/粘土非共價吸附交聯(lián)而自修復(fù)；（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(diǎn)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(fù)1D水凝膠觸摸條：（a）不同修復(fù)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(yīng)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(tǒng)，并（e）用于寫字

　　信息和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，催生了對電子系統(tǒng)的柔性化需求。觸摸屏是十分普及的人機(jī)交互媒介，其中最關(guān)鍵的材料之一是透明導(dǎo)電薄膜。傳統(tǒng)的觸摸屏基于氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電薄膜制備，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(fù)等不足。設(shè)計(jì)具有自修復(fù)和可逆粘附功能的柔性透明導(dǎo)電材料，結(jié)合位置傳感技術(shù)，制作柔性觸摸屏，實(shí)現(xiàn)其貼附于任意曲面或穿戴于人體的應(yīng)用，是柔性電子領(lǐng)域的迫切需求。水凝膠是含水聚合物網(wǎng)絡(luò)材料，具有雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)，其中，聚合物網(wǎng)絡(luò)賦予其柔性固體性質(zhì)，水和溶解的可移動離子賦予其離子導(dǎo)電性。如何進(jìn)行分子和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使離子導(dǎo)電水凝膠具有高透光性，良好的力學(xué)、自修復(fù)和粘附性能，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建高分辨觸摸屏，具有重要科學(xué)意義和使用價值。
　　基于近年來在高分子水凝膠分子設(shè)計(jì)以及在形狀記憶、智能驅(qū)動、柔性傳感等領(lǐng)域應(yīng)用的研究基礎(chǔ)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤團(tuán)隊(duì)與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種可粘附于任意曲面使用的自修復(fù)水凝膠觸摸屏。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials上。
　　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））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(lián)作用，以及聚合物分子鏈上的正負(fù)電荷基團(tuán)吸引，賦予水凝膠自修復(fù)功能（圖1b-c）。兩性離子基團(tuán)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(shù)，首先構(gòu)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(jīng)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(lián)，且分別串聯(lián)一個外部電阻（Re），然后接入同一交流電源；因?yàn)椴⒙?lián)電路兩端電壓相等，所以，當(dāng)手指移向凝膠右側(cè)，則右側(cè)凝膠分得的電壓減小，而右側(cè)外部電阻上電壓增大，相應(yīng)地，左側(cè)凝膠分得的電壓增大，左側(cè)外部電阻上電壓減?。粡亩?，根據(jù)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(xué)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(jīng)折疊、彎卷、扭轉(zhuǎn)后或在拉伸狀態(tài)下仍能保持高度透明。為提供舒適的觸碰體驗(yàn)，并延緩凝膠水份揮發(fā)，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(qiáng)度，基材表面粗糙度，凝膠高分子鏈-基材間拓?fù)淅p結(jié)，以及粘附界面的能量耗散能力。隨基材種類不同，粘附強(qiáng)度在1.941kPa，粘附韌性在38～18Jm-2之間變化。水凝膠觸摸屏具有快速的導(dǎo)電性自修復(fù)能力，和優(yōu)異的拉伸性能自修復(fù)效率（圖2）。在凝膠中通直流電，切斷，再拼接，電流經(jīng)21s恢復(fù)。拼接24h，斷裂伸長率回復(fù)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。
　　研究人員進(jìn)一步將表面電容觸控技術(shù)應(yīng)用于2D水凝膠方片，實(shí)現(xiàn)了手指定位功能，構(gòu)建了水凝膠觸摸屏（圖3）；將觸摸屏集成到計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)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(fù)、可粘附柔性觸摸屏的開發(fā)提供了新材料設(shè)計(jì)思想和位置傳感的技術(shù)支持。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院青年促進(jìn)創(chuàng)新會、北京市科技委項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
　　論文鏈接
　　圖1 自修復(fù)、可粘附位置傳感器：（a）1D水凝膠觸摸條構(gòu)筑結(jié)構(gòu)；切斷-拼接的水凝膠經(jīng)（b）靜電吸引和（c）高分子鏈/粘土非共價吸附交聯(lián)而自修復(fù)；（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(diǎn)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(fù)1D水凝膠觸摸條：（a）不同修復(fù)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(yīng)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(tǒng)，并（e）用于寫字
　　

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