3D打印实现高性能离子电容传感器制备

  近日，南方科技大学机械与能源工程系教授葛锜团队在《自然—通讯》发表最新研究成果，研究人员基于光诱导的微相分离策略，制备了具有双连续纳米结构的离子凝胶，在保证打印精度和力学性能的情况下明显提高了离子凝胶的导电性，通过3D打印技术制备了高性能的离子电容传感器。

  离子凝胶拥有非常良好的导电性、拉伸性、耐热性以及电化学稳定性等优异性能，是构建柔性离子电子器件的非常着迷的候选材料。引入微结构能改善离子凝胶的可压缩性，提高传感器的灵敏度。基于数字光处理（digital Digital light Light processing，DLP）的3D打印技术具有优越的制造精度和较低的加工成本，在制造高精度的离子凝胶微结构方面具有很大的优势。但是通过增加离子液体含量去提高离子凝胶的导电性会牺牲离子凝胶的打印性和力学性能。因此，开发具有高导电性和优异力学性能的光固化3D打印离子凝胶具备极其重大意义。

  研究团队开发了一种与DLP高分辨率3D打印兼容的高导电离子凝胶（CSN离子凝胶），并探究了离子液体和交联剂含量对该离子凝胶电学、力学和热力学性能的影响。研究之后发现，该离子凝胶表现出优异的导电性、良好的拉伸性和低迟滞性，同时具有非常出色的耐热性。3D打印的CSN离子凝胶结构在高温和低温度的环境下还能保持良好的导电性和拉伸性。

  研究团队设计了一种具有梯度高度的半球结构，能大大的提升离子凝胶结构的可压缩性，并利用该结构制备了双电层电容传感器，该传感器在1千帕至12千帕范围内表现出良好的线性度和高灵敏度。该传感器不仅仅可以准确监测喉部在深呼吸和吞咽过程中的信号变化，还可以准确监测人体的脉搏信号，在医疗健康监测和临床诊断方面具有广阔的应用潜力。

  在应用方面，研究团队指出，3D打印离子传感器不但可以作为可穿戴压力传感器件实时监测人体生理信号，还可以将其集成到机械手上，根据传感器的电容信号的变化来监测机械手的抓取过程，在超宽工作时候的温度范围内赋予机器人感知能力。他们在传感器中制备了高分辨率的柔性传感阵列，能够对压力的分布位置和大小做出精准的识别。当穿戴集成传感阵列的手套握取物体时，每个传感单元都能迅速做出响应，传感阵列能够映射出相应的压力分布。

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