柔性抗结冰表面的制备及其性能

冰的附着和累积是常见自然现象,但给人类社会带来诸多不便甚至发生重大事故。抗结冰表面是当前研究的热点课题之一,其表面特性是影响结冰最为关键的因素。但是结冰条件的复杂性及结冰类型的多样性致使抗结冰材料的研究面临很大挑战,存在的稳定性差、应用条件局限性等诸多问题尚未解决,不能满足实际应用的需求。本文根据表面分子的柔性或滑移性对抗结冰性能的影响,提出了柔性抗结冰表面的概念,总结了柔性抗结冰表面的种类(本征柔性表面、缓释柔性表面、润滑柔性表面)及其抗结冰机理和近年来取得的一些重要研究成果,并对柔性抗结冰表面存在的问题进行了分析,以期为抗结冰材料的研究提供新的研究思路和方法。     

纳米碳材料在可穿戴柔性导电材料中的应用研究进展

可穿戴设备的兴起使得对柔性器件的需求日益提高,柔性导电材料作为可穿戴器件的重要组成部分而成为研究的热点。传统的电极材料主要是金属,因金属材料本身不具有柔性,一般通过降低金属层厚度以及设计波纹结构等策略实现其在柔性器件中的应用,其加工程序复杂,成本较高。以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料兼具良好的柔性和优异的导电性,且具有化学稳定、热稳定、光学透明性等优点,在柔性导电材料领域展现了极大的应用潜力。本文简要综述了近年来纳米碳材料在柔性导电材料领域的研究进展,首先介绍了碳纳米管基柔性导电材料,分别包括基于碳纳米管水平阵列、碳纳米管垂直阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米管纤维的柔性导电材料;继而介绍了石墨烯基柔性导电材料,包括基于剥离法制备的石墨烯和化学气相沉积法制备的石墨烯以及石墨烯纤维基柔性导电材料;并简述了碳纳米管/石墨烯复合柔性导电材料;最后论述了纳米碳材料基柔性导电材料所面临的挑战并展望了其未来发展方向。     

高分子导电水凝胶的制备及在柔性可穿戴电子设备中的应用

水凝胶是具有高含水量、可变形性和良好生物相容性的材料,其中导电水凝胶具有良好的导电性、可调节的机械性及自黏附性等特征,逐渐成为制备柔性可穿戴电子设备的最佳候选材料。近年来,具有生物相容性、机械柔韧性和抗疲劳性的导电水凝胶得到广泛研究,能够实现多种生理信号和物理信号的监测及传输,促进了柔性可穿戴电子设备的发展。柔性可穿戴电子设备逐渐成为人机交互技术和人工智能领域的主要研究方向。导电水凝胶通过使用导电聚合物、导电填料、自由离子及其混合物来合成,根据导电机理,所制备的导电水凝胶可分为电子导电水凝胶、离子导电水凝胶和混合电子-离子导电水凝胶。本文讨论了导电水凝胶的制备方法,总结了导电水凝胶在可拉伸性、导电性、生物相容性和自修复性等功能方面的研究进展及其在柔性可穿戴电子设备中的应用,期望导电水凝胶可以取得更好的发展。     

聚合物水凝胶基超级电容器的研究进展

可伸展性和可压缩性是超级电容器作为现代柔性可穿戴电子设备的关键性能。聚合物水凝胶因其优异的力学性能、独特的网络状结构等优点,成为新一代高性能超级电容器的理想材料。它不仅可作为高效储能的柔性电极材料,而且可作为准固态电解质材料,在克服传统液体电解质系列缺陷的同时,获得更加轻薄、安全、稳定的柔性全固态储能器件。本文以聚合物水凝胶的化学组成为线索,分别介绍了聚合物水凝胶在超级电容器电极和电解质两方面的应用研究进展,并进一步对聚合物水凝胶在该领域的发展趋势进行了展望。     

基于壳聚糖物理网络的高强韧双网络水凝胶的构建、调控与应用

双网络水凝胶由两个具有相反物理性质的交联网络构成, 硬而脆的第一网络在变形过程中断裂耗散能量, 从而增韧凝胶. 当第一网络为具有重建能力的物理网络时, 双网络水凝胶表现出优异的抗软化和机械稳定性. 目前双网络水凝胶第一物理网络类型单一、结构和力学调控繁琐, 因而其开发和应用受到限制. 针对上述问题, 作者发展了硬而脆的壳聚糖物理网络构建的新策略, 壳聚糖的网络类型、结构和物理性质均能简便调控, 然后将其作为第一网络成功地制备了多种高强韧且结构性能可灵活调控的双网络水凝胶, 在抗冻敷料、生物医用、柔性电子和可穿戴设备等领域具有重要的应用价值. 构建壳聚糖基双网络水凝胶的策略操作简单、普适通用, 能够有力促进高强韧水凝胶的开发、功能化及应用.     

可穿戴柔性触觉传感器的研究进展

可穿戴柔性触觉传感器是用来模仿人类触觉的器件, 可以感知人体以及外界环境的运动、 形变和压力等信息, 在智慧医疗和智能机器人等领域具有广泛的应用前景. 近年来, 大量柔性触觉传感器的研究使其性能得到了巨大的提升, 并在很多领域得到了应用. 本文首先简述了柔性触觉传感器的结构和基本性能; 然后重点介绍了具有自愈合、 自驱动以及可视化等新型高性能触觉传感器的研究进展; 接下来讨论了柔性触觉传感器在可穿戴电子技术、 医疗保健以及人机交互界面等方面的应用; 最后展望了柔性触觉传感器未来所面临的机遇与挑战.     

新型纤维状能源器件的发展和思考

近年来,可穿戴电子设备受到了人们的广泛关注,柔性、轻质和可集成成为发展的主流.然而,随着可穿戴电子设备的快速发展,在能源供给上出现了一些瓶颈难题,如传统块状和板状能源器件难以根据应用要求紧贴不规则基底、柔性相对较低、不能透气导湿,这些问题严重限制了可穿戴设备及其他相关领域的发展.解决上述问题的一个有效策略是将能源器件制成纤维结构.虽然单根纤维状能源器件提供的能量有限,但是它们可以被编成织物,从而输出较高的总能量.同时,能源织物可紧密贴合不规则基底如人体、能透气导湿,有效满足可穿戴设备的应用要求.目前纤维状能源器件包括能量转换和储存两大类,能量转换器件主要有染料敏化太阳能电池、聚合物太阳能电池和钙钛矿电池太阳能电池,而能量储存器件则主要有超级电容器、锂离子电池、锂空气电池、锌空气电池、铝空气电池等.在实际应用中,光电转换和能量储存2个功能往往被集成在同一根纤维状能源器件中.本文重点介绍了纤维状能源器件的发展历史和研究现状,系统总结了这个领域面临的主要挑战,最后展望了本领域未来发展方向.     

基于Hofmeister效应制备高强韧壳聚糖气凝胶

气凝胶在绝热保温、催化、吸附分离等领域有着广泛的应用,通常需要对气凝胶的微观结构和力学性能进行调控以满足特定需求.然而,开发绿色技术制备高强韧天然高分子气凝胶仍然面临巨大的挑战.本文报道了在壳聚糖新溶剂中基于Hofmeister效应调控壳聚糖分子链的侧向聚集和重结晶,影响壳聚糖水凝胶和气凝胶的微观形貌、孔隙结构和力学性能等物理性质,构建出高强韧壳聚糖气凝胶.通过改变盐的种类,可以有效调控壳聚糖水凝胶和气凝胶的力学性能,并显示出遵循Hofmeister序列的规律.壳聚糖气凝胶的拉伸强度、杨氏模量和断裂功最高可达(23.1±0.4) MPa、(198.0±43.8) MPa和(9.6±0.9) MJ/m³,比表面积最高可达410 m²/g.这种简单策略有助于制备高强韧壳聚糖气凝胶,在柔性电子器件、组织工程材料、药物/蛋白载体和催化等领域有潜在应用前景.     

面向柔性超级电容器的凝胶电解质研究进展

柔性超级电容器卓越的功率密度和柔性应用能力与可穿戴设备对柔性电源的紧迫需求相吻合,同时具备较大的能量密度提升潜力,使其受到了广泛关注。将水、有机液体、离子液体和导电离子等溶入三维聚合物网络构建导电凝胶作为电解质,不仅简化了柔性超级电容器结构,还通过引入多样的交联方式和合成材料进一步提升其性能,已成为近年备受瞩目的研究方向。本文深入分析并总结了凝胶电解质应用于柔性超级电容器的独特优势及其关键性能优化的方法,包括：调控导电离子含量及传输路径以提高离子电导率;采用双重物理交联和模板化合成策略调节凝胶网络结构以改善机械性能;引入有机液体、离子液体等溶剂限制冰晶形成,从而拓宽工作温度范围。然而,凝胶电解质在柔性超级电容器应用中仍然面临一系列挑战,包括生物相容性不足、电极/电解质界面兼容性弱以及合成材料的环保性不佳。未来研究需进一步解决上述问题,以实现凝胶电解质在柔性超级电容器中的高效应用。     

有机智能传感材料与器件研究进展

有机光电子材料具有柔性、低成本、可大面积加工以及分子结构可调等特点,在可穿戴智能器件领域具有巨大的应用潜力.有机分子可以通过结构的设计调节其光学、电学、机械和化学等特性,从而实现丰富的传感功能.有机智能传感器具有快速响应、高选择性、高灵敏和机械柔性等优势,被广泛应用于环境监测、电子皮肤、医疗监测、人机交互等智能感知领域.本文综述了近年来有机智能传感材料与器件的研究进展,包括小分子半导体、聚合物半导体和导电聚合物等有机传感材料,以及化学传感器、温度传感器、光学传感器和机械传感器等有机智能传感器件的前沿应用,重点介绍了目前生物传感器、仿生传感器等智能感知器件和系统的发展现状,并对其未来发展过程中面临的挑战进行了分析.     

3D打印MXene气凝胶基微型超级电容器技术与材料研究进展

微型超级电容器(Micro-supercapacitors,MSCs)作为便携、可穿戴、可植入的微型能量存储单元,因高功率密度、瞬间充放电及长循环寿命的优势,在柔性微型电化学储能技术中取得了快速发展。MXene基气凝胶材料因其三维多孔网状结构、优越导电性、亲水性等优势,能够缩短离子传输路径与提高电荷转移效率,在构建柔性MSCs中发挥重要作用,如活性电极材料、柔性导电集流体、油墨印刷等。然而,开发低价、高效、高性能的柔性MSCs器件仍面临诸多挑战。三维(3D)打印能够构建几何形状复杂的3D结构,制造不同尺寸和形状的微型储能器件。为了优化其电化学性能,分别对3D打印技术分类及其最新进展、可打印MXenes材料的设计原理研究进行了综述,总结了它们在与可穿戴电子设备集成MSCs设备中的应用。并对MXenes材料在解决3D打印MSCs的挑战性问题与发展前景做出展望。     

有机光伏研究进展

以有机半导体材料为活性层的有机太阳能电池, 可通过印刷制备大面积柔性器件, 具有成本低、多彩、半透明等特点, 是一种极具发展前景的光伏技术. 研究者们多年来致力于设计高性能光伏材料, 优化器件界面, 改善活性层微观形貌, 开发新型器件结构, 探究器件工作机理等, 目前实验室制备的小面积有机太阳能电池的能量转换效率已经超过18%. 另外, 面向有机光伏产业化, 在制备大面积柔性器件、降低器件成本、提高器件寿命以及探究光伏建筑一体化和室内光伏等潜在应用方面的研究也取得了重要进展, 在国际上处于领跑地位. 中国科学家在有机光伏领域做出了诸多开创性和引领性的工作. 本文首先对有机太阳能电池的背景进行简单介绍, 接着按照分子工程、器件工程、器件物理和应用探索四个方面综述有机光伏领域的重要研究进展, 最后对有机光伏所面临的机遇与挑战进行展望.     

纤维素基智能凝胶的制备、结构及性能研究

纤维素是自然界中最丰富的生物质资源,因其具有可再生性、生物相容性、无毒、可降解等诸多特性,纤维素及其衍生物不仅广泛应用于传统的工业领域,而且在药物控释、组织工程、可穿戴设备材料等领域也有着广阔的应用前景。受到工程技术应用需求的驱动,以纤维素及其衍生物为基材的智能凝胶材料已成为目前的研究热点。作者系统研究了纤维素基智能凝胶材料的制备、结构及性能。主要内容如下： 1.制备了纤维素基气凝胶并对其进行疏水改性,研究了疏水改性后的纤维素气凝胶材料在水下吸附气体的能力,并设计了纤维素基智能捕集器,用于连续不断地吸附从海底释放的甲烷气体。 2.制备了TEMPO氧化的纳米纤维素纤维,并将其用于增强聚丙烯酰胺/明胶形状记忆水凝胶的力学性能;制备的复合水凝胶展示了较好的形状记忆行为,并且该水凝胶的形状记忆性能具有较好的可重复性。 3.利用羧甲基纤维素制备了对多种金属阳离子响应的形状记忆水凝胶;能够通过改变羧甲基纤维素与金属离子之间的交联密度,调节该水凝胶的力学性能。 4.将羧甲基纤维素钠与聚丙烯酸（PAA）复合制备出具有较优异机械性能和自修复性能的聚丙烯酸/羧甲基纤维素钠水凝胶。通过简单的浸泡法,将该复合水凝胶浸泡在氯化钠（NaCl）溶液中,可以促进CMC和PAA之间的链缠结,进一步提升其机械性能。此外,由于水凝胶的导离子性,制备的水凝胶具有良好的传导性能,有望实现在电子皮肤或可穿戴设备中的应用。     

PEDOT导电高分子在柔性能量转化与存储器件的研究进展

近年来, 柔性有机和钙钛矿光伏器件、有机薄膜晶体管和医用传感器等因其具有可穿戴性、柔性、半透明性等优点, 成为科学研究的热门领域. 利用具有优异力学性能的导电聚合物是实现这些高性能器件的有效途径之一. 在导电聚合物中, 3,4-亚乙基二氧噻吩(PEDOT)及其水性分散液3,4-亚乙基二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)已经被证明是最有前途替代传统金属氧化物的柔性材料, 其在器件中可作为透明电极、空穴传输层、互连器、电活性层或运动传感导体等. 综述了PEDOT及PEDOT:PSS应用柔性器件的研究现状, 包括提高电导率、机械耐受性和长期稳定性的各种策略, 揭示了性能增强的潜在机理. 最后, 论述了导电聚合物在器件制备中亟待解决的问题和未来发展方向. 本工作讨论了导电聚合物薄膜形貌的重要性, 并展望了它们在下一代柔性电子器件中的广阔前景.     

有机神经形态机器视觉器件及系统

随着有机半导体材料及其器件的快速发展,有机电子学在可穿戴设备、人工智能等发面取得快速发展.有机半导体材料具有成本低、生物相容性好、光谱响应可调、柔性度好等优势,在光电器件等新兴智能感知领域显示出巨大的商业应用潜力,同时也是制造柔性仿生视觉传感器不可或缺的组成部分.本文从有机光电材料分类及用于视觉仿生感知的光电器件层面重点介绍了近年来人工神经形态视觉智能传感系统的研究进展,包括应用较多的视觉触觉多感集成系统.最后阐述了发展有机仿生视觉系统的重要意义与现存挑战以及展望,为将来有机视觉感知应用及多感集成提供可行的研究方向.     

一种高容量茴香状硫化铜柔性电极的制备及其在超级电容器中的应用

柔性电极由于在可穿戴电子设备领域具有重要应用而备受关注，然而其制备工艺繁琐、价格昂贵、负载量低和比容量低等问题限制了其发展.为解决这些问题，迫切需要开发负载量大、比容量高的柔性电极材料.本文利用简单的化学电镀和低温固相反应方法，制备了茴香状的CuS@CPCC-24柔性电极材料.这种紧密堆砌的薄片具有大量的孔隙，能够提供足够的活性位点，进而有效增加存储电荷的能力.结果表明，CuS@CPCC-24柔性电极不仅在电流密度为2 mA·cm^-2时可达到1 150.2 mF·cm^-2的最大电容，而且循环稳定性较好，展现了其在柔性储能器件领域具有潜在应用.     

共轭聚合物水凝胶的制备与应用进展

共轭聚合物水凝胶是利用共轭聚合物制备的水凝胶材料,兼备水凝胶的力学性质、溶胀性质和共轭聚合物优异的电化学特性.共轭聚合物水凝胶的制备方法多样,主要有原位聚合、直接填充、物理交联和化学交联等.同时,在面对环境和能源领域的应用挑战时,共轭聚合物水凝胶具备良好的发展潜能,可广泛应用于药物释放、能量转换、能量储存、传感器、组织损伤修复和污水处理等诸多领域.本文系统归纳了共轭聚合物水凝胶的制备方法和应用,对其研究目前存在的主要问题以及未来发展方向进行了分析.     

粘性水凝胶的发展及应用

本文系统介绍了近年来粘性水凝胶相关研究的最新进展,并从结构仿生、材料仿生、原理仿生方面细致梳理了典型案例的设计理念,总结概括了粘性水凝胶在可穿戴传感器、生物医用材料、执行器机器人、吸附分离等领域的应用。在此基础上,探讨了粘性水凝胶现存的挑战,并展望了其在亚微米颗粒的吸附分离、痕量爆炸物颗粒原位采样检测等方面将有蓬勃发展,为粘性水凝胶的创新设计及实际应用提供指导和参考。     

柔性复合热电材料及器件的研究进展

热电材料能够将热能与电能直接相互转化,在废热回收及绿色制冷领域中具有巨大的应用潜力。相比无机块体热电材料,柔性热电材料具有可弯折、体积小、质量轻等优点,还适用于制备可穿戴电子设备。近10年来,基于导电高分子、碳材料和无机纳米材料等的柔性复合热电材料及器件逐渐成为炙手可热的研究领域,受到了业内广泛的关注。本文综述了近年来基于不同材料体系的柔性热电材料及器件的研究进展、存在的亟待解决的问题和未来的发展方向。大量研究结果表明,材料的热电性能可以通过化学合成和分子设计战略、形貌控制及掺杂技术等进行有效的调控。研发满足实际应用需要的先进柔性热电材料仍然极具挑战性。     

柔性可穿戴电子传感器研究进展

随着智能终端的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景.传感器作为核心部件之一,将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展.柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点,使其成为最受关注的电学传感器之一.综述了近年来柔性可穿戴电子传感器的研究进展,包括压阻、电容、压电、力致发光和摩擦电等信号转换机理,金属、无机半导体、有机和碳材料等柔性可穿戴电子的常用材料,柔性电子传感器的印刷制造及其在体温和脉搏检测、表情识别和运动监测等方面的最新应用,最后提出了柔性可穿戴电子传感器面临的挑战与未来发展方向.