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 香港理工大學(xué)《勵(lì)學(xué)利民》期刊2021年春季號(hào)

    香港理工大學(xué)科研人員開(kāi)發(fā)了一種嶄新的可拉展導(dǎo)電材料，其透氣度高、極具彈性而且導(dǎo)電性能優(yōu)良，有助制造各種單片可拉展電子器件。由于能在細(xì)小的范圍內(nèi)結(jié)合多個(gè)部件，有關(guān)產(chǎn)品便可配備多項(xiàng)功能，而且適合長(zhǎng)時(shí)間佩戴。物料可廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、軟體機(jī)械人以及貼在皮膚上的電子裝置。 
    時(shí)至今日，穿戴式電子技術(shù)如健身追蹤器和智能手表皆隨處可見(jiàn)；智能眼鏡和生物識(shí)別衣物也日趨盛行；而電子皮膚與電子眼睛亦不再只是科幻小說(shuō)中的發(fā)明。隨著穿戴式技術(shù)產(chǎn)品的種類日漸增多，業(yè)內(nèi)人士預(yù)料，穿戴式電子裝置將會(huì)是繼智能電話以后，另一個(gè)龐大市場(chǎng)。
    可拉展式電子產(chǎn)品不斷快速革新�；�底層內(nèi)置了電路板的設(shè)備可見(jiàn)於在醫(yī)護(hù)行業(yè)使用的電子皮膚貼及植入裝置�，F(xiàn)時(shí)的可拉展電子儀器皆由不透氣的彈性厚片制造，這排除了產(chǎn)品多層設(shè)計(jì)的可能性，也有礙進(jìn)一步發(fā)展具備先進(jìn)功能的器件。長(zhǎng)時(shí)間佩戴低透氣度的設(shè)備亦可能會(huì)引致皮膚敏感、發(fā)炎及其他健康問(wèn)題。
 
 

    由理大紡織及服裝學(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)系跨學(xué)科科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，在研發(fā)高透氣、超彈性的導(dǎo)電材料方面，最近取得了技術(shù)突破。研究項(xiàng)目的結(jié)果 Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics 已于權(quán)威期刊 Nature Materials 上發(fā)表。
    這種嶄新的導(dǎo)電材料名為 "液態(tài)金屬纖維氈" (liquid-metal fibre mat)。制作 "液態(tài)金屬纖維氈" 有兩個(gè)主要步驟：首先是以靜電紡絲這個(gè)獨(dú)特的制作方法，把液態(tài)金屬涂抹或打印于具備天然橡膠彈性的纖維氈上；然后是反覆拉展已涂上液態(tài)金屬的纖維氈，直至懸掛在彈性纖維氈之間的液態(tài)金屬形成橫向多孔、縱向彎曲的結(jié)構(gòu)。
    研究團(tuán)隊(duì)選擇了使用共晶鎵銦合金（EGaIn）作為 "液態(tài)金屬纖維氈" 的導(dǎo)電原料，并打印在由苯乙烯－丁二烯－苯乙烯(poly(styrene-block-butadiene-blockstyrene)，SBS) 制成的可拉展纖維氈上。
    鄭教授表示：＂EGaIn 是一種普遍使用于軟電子，例如可屈曲電路板上的液態(tài)金屬。它在室溫下仍能保持液體狀態(tài)，且導(dǎo)電能力高、毒性低。當(dāng)暴露在空氣時(shí)，這種物質(zhì)能在表面迅速形成薄薄一層氧化物(Ga2O3)，使其保持一定形狀。至于 SBS 則是一種通常用于手套、氣球等橡膠產(chǎn)品的彈性物料。＂
    因此，"液態(tài)金屬纖維氈" 具備超彈性和極高透氣度。一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室制作的樣本顯示，其透氣度較平常使用的護(hù)理膠布高 22 倍。此外，經(jīng)拉力測(cè)試后，物料仍可維持穩(wěn)定的導(dǎo)電能力。當(dāng)進(jìn)一步在兔子皮膚上測(cè)試時(shí)，"液態(tài)金屬纖維氈" 更展示出極佳的生物相容性，不會(huì)導(dǎo)致皮膚敏感。
 

以靜電紡絲方法把液態(tài)金屬涂抹或打印于具備天然橡膠彈性的纖維氈上使完成后的 "液態(tài)金屬纖維氈" 具彈性 (左)，同時(shí)透氣度高 (右)。

    研究團(tuán)隊(duì)亦就多層 "液態(tài)金屬纖維氈" 進(jìn)行效能測(cè)試。研究人員利用＂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，并且把它們疊在一起使用。物料疊起三層后，總厚度僅約一毫米；而三個(gè)傳感器均能有效運(yùn)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明 "液態(tài)金屬纖維氈" 能夠堆疊使用，適用于生產(chǎn)多功能及供長(zhǎng)時(shí)間穿戴的電子設(shè)備。
    這個(gè)研究項(xiàng)目主要獲得香江學(xué)者計(jì)劃與香港研究資助局撥款支持。研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)改良 "液態(tài)金屬纖維氈" 的性能，以支持研發(fā)新一代的健康監(jiān)測(cè)儀、軟體機(jī)械人、貼在皮膚上的電子裝置以及義肢產(chǎn)品。團(tuán)隊(duì)會(huì)致力開(kāi)發(fā)各種護(hù)理電子產(chǎn)品及系統(tǒng)，首要任務(wù)是生產(chǎn)穿戴式的心電圖監(jiān)測(cè)儀。

鄭子劍教授 (前排) 及其研究團(tuán)隊(duì)成員 (左起) 紡織及服裝學(xué)系研究助理教授黃琪瑤博士、博士生莊秋娜女士、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系助理教授趙昕博士和應(yīng)用物理學(xué)系副教授柴揚(yáng)博士