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柔性可穿戴电子器件具有质轻、易结合皮肤、能承受力学变形等特点，应用逐渐广泛。尤其是在生物传感器方面，已经成为心率、血压等涉及到身体健康生物信号监测的重要器件。柔性电子器件是柔性电子的主要体现形式之一。以柔性材料为基础，结合微纳米加工与集成技术，设计制造可实现逻辑放大、滤波、数据存储、信号反相、数字运算、传感等功能的新一代柔性电子元器件，是信息技术发展的迫切需求。柔性功能材料所具有的光、电、磁、热、力等独特的物理和化学性能，使得柔性电子器件可被广泛用于柔性显示、数据加密、可穿戴感知等智能化电子系统。
纳米碳材料因其优异的柔性、大的比表面积、高的化学/热稳定性以及优异的导电性而受到广泛关注。但是在器件发生反复形变过程中，柔性电子器件内部会产生大量热量，对于可拉伸的电子器件，增加的热量会对设备的安全性和可靠性产生威胁，甚至导致其失效无法使用。如果使用导热性较强的材料，就可以耗散热量。人的皮肤舒适区温度范围在30至34℃之间。因此，对于需要附着于人体皮肤上的可穿戴式电子器件，热量积聚引起的温度升高可能引起很大的不舒适感，甚至危害人体安全健康。因此使用具有良好绝热性的材料是十分有必要的。这个难题一直困扰着科学家们！
为了解决这个难题，近日，青岛大学孙彬副教授等研究人员报道了一种可拉伸应变传感器，其具有优异的热管理性能。人体运动监测表明其具有优良拉伸性、敏感性和长期使用稳定性性，热塑性聚氨酯-氮化硼纳米片复合材料有助于将热量快速传递到环境中，从而导热性得到了显著增强，隔热性能来源于多孔电纺纤维热塑性聚氨酯膜，实时饱和温度下降了32％。此外，作者在重复拉伸-释放过程中原位研究了可拉伸柔性电子器件的动态工作温度波动。细胞毒性测试结果表明纳米填料被严格限制在纳米复合材料中，不会对人体健康产生不利影响，在可穿戴设备中具有很大潜力。相关工作以“A high performance wearable strain sensor with advanced thermal management formotion monitoring”为题发表在国际著名期刊《Nature Communications》上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17301-6
图1 可穿戴应变传感器结构示意图
图2可拉伸应变传感器的热性能
图3 可拉伸应变传感器的机电性能
图4 人体运动监测
图5 可穿戴应变传感器的生物相容性表征
总而言之，作者报道了一种高性能应变传感器，其具有先进的热管理性。这种应变传感器包含 TPU （热塑性聚氨酯）作为基体，以及 BNNS （氮化硼纳米片）和 GNR （石墨烯纳米带）纳米填料，并呈现出量身定制的热性能。高伸缩性和敏感性以及电气的长期耐久性特性使其成为实时监测人体运动的理想选择。 TPU-BNNS 薄膜增强了导热性，有助于快速将热量传递到环境中，而多孔电纺纤维膜层可起到隔热作用，起到皮肤保护剂的作用。并且这种可拉伸应变传感器显示出优异的的热稳定性。最后，细胞毒性测试证实活性纳米填料可以紧紧地限制在纳米复合材料中并防止浸出，这对于贴覆于皮肤上的设备至关重要。这项工作可以为下一代可穿戴和可拉伸电子产品的热管理提供借鉴！（文： one end ）
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