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據(jù)IDC報告，全球智能可穿戴設備總出貨量2016年~2020年復合增長率為44.5%。未來五年全球智能可穿戴設備需求仍保持強勁增長態(tài)勢。然而，設計能夠與人體無縫集成的智能可穿戴設備是一項艱巨的任務。靜電紡絲作為一種多功能平臺已經(jīng)出現(xiàn)，它可以通過從聚合物基底制造具有可調特性的納米纖維來解決這些挑戰(zhàn)。 由美國物理聯(lián)合會出版的《APL Bioengineering》雜志在6月28日發(fā)表了論文“Recent progress in electrospun nanomaterials for wearables”，美國塔夫茨大學的Sameer Sonkusale教授在文中展示了靜電紡絲材料的諸多優(yōu)勢，并總結了靜電紡絲在可穿戴電子設備和系統(tǒng)方面取得新進展。一般認為可穿戴設備包括直接佩戴在人體皮膚上的微型電子設備，用于感應各種生物物理和生物化學信號或者提供方便的人機界面(例如智能手表)?？纱┐髟O備材料特別需要的一些關鍵屬性是皮膚適應性，透氣性和生物相容性。調節(jié)材料的機械、電子和化學性質的能力也很重要。靜電紡絲通過使用電場從聚合物溶液生產(chǎn)納米纖維，提供了潛在解決這些挑戰(zhàn)的通用平臺并將它們組裝成各種形式，例如膜、線或墊。 生物物理信號的可穿戴傳感器 靜電紡絲制備的納米纖維具有高孔隙率和高表面/體積比，是一種很有前途的皮膚生物傳感材料。納米纖維的多孔性提高了透氣性和對氣體和水蒸汽的滲透性，使其成為皮膚界面的理想基質，并將其功能化，作為不同生物物理信號的傳感器。 監(jiān)測心電圖(ECG)和肌電圖(EMG)等生物電位是許多可穿戴應用的核心。由于超低厚度、形狀一致性和透氣性，電紡納米纖維作為生物電位監(jiān)測的皮膚電極更具前景。納米纖維的多孔性改善了表面接觸并增加了附著力。此外，它使納米網(wǎng)電極具有透氣性，這是長期放置在皮膚上的任何設備的關鍵屬性。這些超薄膜通常被稱為納米網(wǎng)導體，可以通過表皮電極與人體皮膚電連接，以傳輸生物電位信號。這些納米網(wǎng)傳感器由用于將其附著到皮膚上的柔性透氣基材組成，并在頂部覆蓋導電涂層。 另一類以可拉伸導電壓敏電阻為特征的可穿戴設備廣泛用于運動、應變和壓力傳感。高孔隙率和大的表面體積比使電紡納米纖維容易地吸收揮發(fā)性材料，并通過顏色變化或電信號提供快速響應，可用于測量身體新陳代謝的可佩戴氣體傳感器。 可穿戴能量存儲設備 可穿戴平臺的基本構建模塊，如電池、超級電容器、硅整流天線、光伏電池和晶體管，這些都可以通過使用電紡納米纖維實現(xiàn)的。來自靜電納米粒子和復合材料的多孔納米纖維在鋰儲存能力、充放電動力學、循環(huán)穩(wěn)定性和電化學性能方面都有所改善。盡管通信系統(tǒng)和傳感平臺近年來呈現(xiàn)指數(shù)級增長，技術不斷進步，但在當今可穿戴技術中，電池壽命仍然是最大的設計挑戰(zhàn)之一。鋰離子(Li-ion)電池主要用于可穿戴設備，因為它們操作安全、重量輕、體積小、充電容量高，并且需要較少的維護。因此，它是制造高效、柔性和可拉伸電池的絕佳候選材料。 有學者研究出了熔融電紡碳纖維氈用作鋰離子電池中的高性能陽極材料，以提高碳納米纖維的比容量和電化學導電性，同時簡化制造工藝并進一步提高電池充電容量[圖2(b)]。在另一項研究中，有研究人員展示了在制造高性能多孔陰極中使用氮基聚合物前體的方法。已經(jīng)合成和制造的鋰離子電池中的各種其它陽極材料包括超細SnOx顆粒，硅芯/C殼硅納米線，和高石墨化的碳納米纖維。具有嵌入無機材料的電紡碳納米纖維已經(jīng)顯示出在鋰離子電池中提供電化學改進。靜電紡絲有助于將功能材料的納米薄片/納米板嵌入導電納米纖維的結構中，以制備具有獨特結構的電池材料。這些復合結構不僅提供了速率性能的調節(jié)，而且還證明了反應在這些柔性超薄納米結構中的極端限制，以改善電池性能。 可穿戴能量收集設備 隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，柔性太陽能電池已經(jīng)成為可穿戴電源的一個有前途的候選。電紡納米纖維由于其低成本、易于制造和可調節(jié)的物理化學特性，適合作為可穿戴電源。將染料敏化太陽能電池(DSSC)引入電紡納米纖維作為組件的多個例子已經(jīng)證明了在可穿戴應用中效率的提高。在一項研究中，使用一層電紡納米纖維來吸收DSSC的液體電解質泄露，納米纖維能夠容納大量電解質，顯著降低電解質泄漏或蒸發(fā)的速率。 電紡納米纖維為其他電解質技術如凝膠電解質或摻雜貴金屬顆粒的電解質提供了廉價而有效的替代品。納米纖維的互連結構使它們能夠保持電荷載流子的遷移率，使它們具有類似半導體的特性，這有助于在電子和空穴復合之前將它們傳輸?shù)诫姌O。 總結 在最新研究中，他們展示了靜電紡絲材料的諸多優(yōu)勢。自靜電紡絲出現(xiàn)以來，在將該技術用于多種應用方面已經(jīng)取得了顯著的進展，特別是在可穿戴設備電子領域。展望未來，拓寬材料選擇范圍和提高與人體生理學整合的便利性是電紡設備發(fā)展的關鍵方面。提供可穿戴設備與電源和通信組件無縫集成的新策略是改善任何可穿戴系統(tǒng)整體功能的關鍵，需要進一步研究，尤其是在靜電紡絲設備方面。作者相信，在未來幾年，靜電紡絲技術將成為一種多功能、可行和廉價的可穿戴設備制造關鍵技術。 www.qingzitech.com