无线供电、600%应变稳定电导多孔纳米材料电子设备

第一作者：Yadong Xu, Zhilu Ye, Ganggang Zhao

通讯作者：闫政、高伟、Pai-Yen Chen

通讯单位：密苏里大学哥伦比亚分校、加州理工学院、伊利诺伊大学芝加哥分校

论文速览

在可穿着设备、生物医学植入物和软体机器人中实现可伸展生物电子的全部潜力，须要具有本征优柔性、高导电性和应变弹性的导电弹性复合股料。
然而，现有的复合股料常日由于应变下导电路径的中断而捐躯了电气耐久性和性能，并且严重依赖于高含量的导电填料。

在这里，研究团队提出了一种原位相分离方法，促进了微尺度银纳米线组装，并在孔隙表面创建了自组织的导电网络。
所得的纳米复合股料具有高导电性、应变不敏感性和耐疲倦性，同时最小化了填料的利用。
它们的韧性源于多尺度多孔聚合物基质，该基质可以分散应力，并且刚性的导电填料能够适应应变引起的几何变革。

值得把稳的是，多孔微不雅观构造的存在将导电（或渗透）阈值降落了48倍，并且纵然在超过600%的应变下也能抑制电性能退化。

理论打算得出的结果与实验创造在数量上同等。
通过将这些纳米复合股料与近场通信技能配对，作者展示了适用于皮肤界面和植入式生物电子的可伸展无线功率和数据传输办理方案。
这些系统实现了无需电池的无线供电和传感，纵然在50%的应变下，性能变革也不超过10%。

图文导读

图1：相分离过程的示意图和制备方法，以及多孔和非多孔Ag NW纳米复合股料在原始和拉伸状态下的比较。
还包括了聚合物、溶剂和非溶剂的等温三元相图，以及对纳米复合股料在不同应变下电阻变革的数值打算。

图2：通过扫描电镜图像展示了不同Ag NW浓度下PSPN的微不雅观构造，以及PSPN和非多孔复合股料的电导率与Ag NW体积分数的关系。
还包括在拉伸前后PSPN的微不雅观构造变革，以及不同应变下相对电阻变革的比较。

图3：可伸展无线功率传输系统（WPT）的两端口网络模型和磁场分布，以及在50%应变下多孔和非多孔纳米复合股料的磁场分布仿照。

图4：展示了用于可穿着和植入式生物电子的可伸展无线供电系统，包括理论评估、耦合系数、传输效率以及在活体动物中的植入式WPT系统演示。

图5：用于多重生化传感的全可伸展无线生物电子系统，包括无线生化传感平台的设计事理、无线监测不同离子的反射系数和频率变革，以及在身体活动过程中的实时监测。

总结展望

本研究开拓的基于相分离技能的多孔纳米复合股料，通过在聚合物基质中形成自组织的银纳米线导电网络，实现了超低的导电阈值和精良的应变不敏感性。
该材料在超过600%的应变下仍能保持电性能稳定，展示了其在可穿着和植入式生物电子设备中的潜在运用。

此外，通过与近场通信技能的结合，研究团队展示了无线功率传输和数据传感的可能性，为未来的个性化医疗保健和人机交互界面供应了新的思路。
未来的研究可以探索新的制造技能，如增材制造，以实现该技能的规模化生产，并进一步开拓基于NFC的无线生物电子设备，以知足更广泛的医疗保健需求。

文献信息

标题：Phase-separated porous nanocomposite with ultralow percolation threshold for wireless bioelectronics

期刊：Nature Nanotechnology

DOI：10.1038/s41565-024-01658-6