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剑桥大学黄艳燕团队联合发明3D打印微纳米纤维传感器

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-11-01 10:24:17   浏览次数:2563  
核心提示:来自云南大理的26 岁白族留学生王文宇,和课题组提出一种打印导电性极好的超细纤维的首创新方法,是一种微纳米导电纤维的3D打印

来自云南大理的26 岁白族留学生王文宇,和课题组提出一种打印导电性极好的超细纤维的首创新方法,是一种微纳米导电纤维的3D打印技术。论文于 9 月 30 日以《面向平面和3D光电和传感器件的纤维打印》为题发表在 Science Advances 上。

图 | 王文宇(来源:受访者)

比头发细一百倍、和铜丝一样导电的微纳米纤维

微纳米导电纤维具有较高的长径比、极低的弯曲刚度和高透明度。假如把微纳米导电纤维组装为3D结构,就能开发出新型透明透气的柔性电子器件,其可以用于健康监测、物联网和生物电子传感器等。

图 | 悬浮纤维结构的 IFP 制备

基于上述思路,该团队历时四年进行研发,并将成果展示在本次论文中:一种通过同心喷头、来快速精确且灵活地打印悬空微纳米纤维的新方法。

该研究团队展示了利用银纳米颗粒或者有机导电高分子材料组成的多材料微纳米纤维阵列。相比传统纤维制造工艺,该工艺具有更好的普适性,能够打印不同材料组成的微纳米纤维,同时,能打印出悬空的微纳米纤维网。

本次研究还首次提出一种新方法,即采用一步到位的方法来将打印出来的微纳米导电纤维直接集成到电路上,从而减少了传统导电纤维制备工艺中不可避免的复杂后处理。基于此,王文宇和团队制作出一款可穿戴呼吸传感器,由于导电纤维具有高透气性,该传感器能在水汽自由透过的情况下,检测呼出气体水汽的时空分布信息。

图 | 可穿戴的低成本呼吸检测器

这样一款多材料的三维可穿戴传感器,和智能手机结合在一起,可以方便的检测呼吸时的口部状况、呼吸时气体的走向、气体的湿度、呼吸的频率、咳嗽声音的异常,可以指导人们合理选用和佩戴口罩。除纤维传感器以外,3D 打印微纳米导电纤维技术还可制备出很多产品。

除呼吸传感器外,3D 纤维打印技术还可用于制造生物相容性导电高分子纤维,这种纤维可引导细胞运动、并能将这种动态过程以电信号方式输出,这可给日后生物电子设备的发展和 3D 细胞检测,提供一定的研究思路。

据王文宇的导师黄艳燕介绍,本次传感器的制造材料成本大概在 10 元人民币以下。如果大批量生产价格会更低,再考虑人工和机器,成本估计大约几块钱。不过黄艳燕也对其他媒体坦言:“与传统的薄膜技术相比,由小型导电纤维制成的传感器对 3D 流体和气体的体积检测特别有用,但到目前为止,打印它们并将其结合到设备中大规模制造它们一直是一个挑战。”

 
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