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據(jù)IDC報(bào)告，全球智能可穿戴設(shè)備總出貨量2016年~2020年復(fù)合增長(zhǎng)率為44.5%。未來五年全球智能可穿戴設(shè)備需求仍保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。然而，設(shè)計(jì)能夠與人體無縫集成的智能可穿戴設(shè)備是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。靜電紡絲作為一種多功能平臺(tái)已經(jīng)出現(xiàn)，它可以通過從聚合物基底制造具有可調(diào)特性的納米纖維來解決這些挑戰(zhàn)。 由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)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(guó)塔夫茨大學(xué)的Sameer Sonkusale教授在文中展示了靜電紡絲材料的諸多優(yōu)勢(shì)，并總結(jié)了靜電紡絲在可穿戴電子設(shè)備和系統(tǒng)方面取得新進(jìn)展。一般認(rèn)為可穿戴設(shè)備包括直接佩戴在人體皮膚上的微型電子設(shè)備，用于感應(yīng)各種生物物理和生物化學(xué)信號(hào)或者提供方便的人機(jī)界面(例如智能手表)。可穿戴設(shè)備材料特別需要的一些關(guān)鍵屬性是皮膚適應(yīng)性，透氣性和生物相容性。調(diào)節(jié)材料的機(jī)械、電子和化學(xué)性質(zhì)的能力也很重要。靜電紡絲通過使用電場(chǎng)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(tái)并將它們組裝成各種形式，例如膜、線或墊。 生物物理信號(hào)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(duì)氣體和水蒸汽的滲透性，使其成為皮膚界面的理想基質(zhì)，并將其功能化，作為不同生物物理信號(hào)的傳感器。 監(jiān)測(cè)心電圖(ECG)和肌電圖(EMG)等生物電位是許多可穿戴應(yīng)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(cè)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(zhǎng)期放置在皮膚上的任何設(shè)備的關(guān)鍵屬性。這些超薄膜通常被稱為納米網(wǎng)導(dǎo)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(hào)。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(dǎo)電涂層。 另一類以可拉伸導(dǎo)電壓敏電阻為特征的可穿戴設(shè)備廣泛用于運(yùn)動(dòng)、應(yīng)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(hào)提供快速響應(yīng)，可用于測(cè)量身體新陳代謝的可佩戴氣體傳感器。 可穿戴能量存儲(chǔ)設(shè)備 可穿戴平臺(tái)的基本構(gòu)建模塊，如電池、超級(jí)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(shí)現(xiàn)的。來自靜電納米粒子和復(fù)合材料的多孔納米纖維在鋰儲(chǔ)存能力、充放電動(dòng)力學(xué)、循環(huán)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能方面都有所改善。盡管通信系統(tǒng)和傳感平臺(tái)近年來呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，技術(shù)不斷進(jìn)步，但在當(dāng)今可穿戴技術(shù)中，電池壽命仍然是最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。鋰離子(Li-ion)電池主要用于可穿戴設(shè)備，因?yàn)樗鼈儾僮靼踩?、重量輕、體積小、充電容量高，并且需要較少的維護(hù)。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(xué)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(xué)導(dǎo)電性，同時(shí)簡(jiǎn)化制造工藝并進(jìn)一步提高電池充電容量[圖2(b)]。在另一項(xiàng)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(xì)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(jī)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(xué)改進(jìn)。靜電紡絲有助于將功能材料的納米薄片/納米板嵌入導(dǎo)電納米纖維的結(jié)構(gòu)中，以制備具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的電池材料。這些復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅提供了速率性能的調(diào)節(jié)，而且還證明了反應(yīng)在這些柔性超薄納米結(jié)構(gòu)中的極端限制，以改善電池性能。 可穿戴能量收集設(shè)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(gè)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(diào)節(jié)的物理化學(xué)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(gè)例子已經(jīng)證明了在可穿戴應(yīng)用中效率的提高。在一項(xiàng)研究中，使用一層電紡納米纖維來吸收DSSC的液體電解質(zhì)泄露，納米纖維能夠容納大量電解質(zhì)，顯著降低電解質(zhì)泄漏或蒸發(fā)的速率。 電紡納米纖維為其他電解質(zhì)技術(shù)如凝膠電解質(zhì)或摻雜貴金屬顆粒的電解質(zhì)提供了廉價(jià)而有效的替代品。納米纖維的互連結(jié)構(gòu)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(dǎo)體的特性，這有助于在電子和空穴復(fù)合之前將它們傳輸?shù)诫姌O。 總結(jié) 在最新研究中，他們展示了靜電紡絲材料的諸多優(yōu)勢(shì)。自靜電紡絲出現(xiàn)以來，在將該技術(shù)用于多種應(yīng)用方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，特別是在可穿戴設(shè)備電子領(lǐng)域。展望未來，拓寬材料選擇范圍和提高與人體生理學(xué)整合的便利性是電紡設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵方面。提供可穿戴設(shè)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(guān)鍵，需要進(jìn)一步研究，尤其是在靜電紡絲設(shè)備方面。作者相信，在未來幾年，靜電紡絲技術(shù)將成為一種多功能、可行和廉價(jià)的可穿戴設(shè)備制造關(guān)鍵技術(shù)。 www.qingzitech.com