自修复可伸缩离子型电子皮肤及其器件开题报告

1. 研究目的与意义

人类社会的进步取决于科技的进步。随着时代的发展，生命科学、材料科学以及信息科学已经成为现代科学的三个重要领域，影响到人类社会生活的方方面面。柔性电子技术引起了科学界和工程界的极大兴趣^[1-5]。由于其轻量，灵活，大面积可印刷性，以及潜在的生物降解性，有机柔性电子器件在诸如可穿戴电子器件和医疗器械等应用领域具有很大的潜力^[6-10]。

电子皮肤，一种可以让机器人产生触觉的系统，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。该项技术关键点在于一种名为qct的复合材料，由美国麻省理工学院的技术人员研发而成。其他类似发明还有日本和飞利浦公司研制的电子皮肤^[11]。

现代植皮手术最早出现在19世纪末。数据显示，全世界每年接受皮肤移植的患者人数近20万，存在不可恢复性皮肤创伤且尚未接受植皮手术的患者总数超过400万。对皮肤组织的不可修复性损坏，考虑到身体排斥性反应，植皮几乎是唯一选择。医生主要靠切取患者自身或他人皮肤进行移植修复，难以忍受疼痛不说，还会在患者取皮部位留下新创伤，身体和心灵的创痕往往难以磨灭。此外，大面积皮肤损伤患者的植皮来源也是问题。移植后的皮肤十分脆弱，还存在触觉减弱、免疫力下降等后遗症。在各国科学家的努力下，超仿真电子皮肤模型正在成熟。如果投入人体试验，这将是患者的福音电子皮肤模拟、还原甚至取代机体皮肤，首先要具备感觉和触觉，即与人体皮肤一样感知不同外界压力，畅通传导触觉信号的最基本功能。早在2003年，日本东京大学的研究团队利用低分子有机物——并五苯分子制成薄膜，通过其表面密布的压力传感器，实现了电子皮肤感知压力。时隔两年，该研究团队又在特殊塑料薄膜中重叠嵌入分别感知压力和温度的两组晶体管，在晶体管电线交叉的位置使用微传感器记录电流起伏，可判断出日常温度和每平方厘米300克以上的压力^[12]。美国加州大学伯克利分校研究团队设计出的电子皮肤，可辨别更细微的压强，这种由聚合树脂和敏感橡胶覆盖锗硅混合纳米线制成的皮肤，可感知50克以下的细微压力。随着尖端材料科学研究的深入，石墨烯、碳纳米等特殊材料因超轻薄、韧性强、电阻率小等优良特性，被科学家认为是电子皮肤的优良“基底”。例如，由中国研究人员使用碳纳米管传感器制成的高灵敏度皮肤，甚至可感知到20毫克蚂蚁的重量。英国剑桥大学的研究人员，也正在尝试将随意拉伸和变形的电路移植到透明的弹性硅胶上，力图赋予电子皮肤更多近似人体皮肤的物理特性。按照设计，这种电子皮肤可包裹四肢与手臂，有望应用于皮肤移植^[13]。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

通过掺入金属 - 配体配位作为交联位点的非极性聚二甲基硅氧烷（pdms）聚合物来实现自愈合介电弹性体。配体是2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸酰胺，而这里研究的金属盐是fe² 和zn² 与各种抗衡离子。zn² 和联吡啶之间的动力学不稳定性使得聚合物在环境条件下快速自我修复。当集成到作为栅极电介质的有机场效应晶体管（ofet）中时，具有fecl₂和zncl₂盐交联的pdms的晶体管与pdms相比表现出提高的介电常数，并显示出无滞后转移特性，这是由于pdms中离子电导率低以及金属阳离子和小cl^-阴离子之间的强烈的金属相互作用，可以防止流动阴离子在栅偏压下漂移。用fecl₂-pdms电介质制作完全可伸展的晶体管，并表现出理想的传输特性。 即使在100％应变下进行1000次循环后，栅极泄漏电流仍然很低。 机械坚固性和稳定的电气性能证明了其适用于可伸缩电子设备的应用。另一方面，含有大尺寸阴离子（bf₄^-，clo₄^- cf₃so₃^-）的栅介质的晶体管由于在栅极偏置电压下的移动阴离子而显示出显着的滞后现象。 这项工作提供了对基于金属 - 配体交联聚合物的自修复可拉伸介电材料的未来设计的见解。

1.我们的设计策略是将联吡啶部分嵌入到长链聚二甲基硅氧烷（pdms）链中，该链随后通过联吡啶部分和过渡金属离子zn² 和fe² 之间的金属 - 配体配位进行交联。

3. 研究的方法与步骤

研究方法与步骤：

1.通过双羟基封端的pdms与2,2'-吡啶5,5'-二羧酸之间的等摩尔缩合反应将联吡啶部分并入pdms骨架中。 以fecl₂，fe（bf₄）₂，zncl₂，zn（otf）₂或zn（clo ₄）₂的形式将0.33当量的金属盐加入到bpy-pdms（当量联吡啶部分）的全部溶液胶凝溶液中， 金属盐成为有效的交联剂。 紫外可见吸收光谱用于监测金属离子结合的化学计量。所有紫外 - 可见吸收光谱中明确的等吸收点指示联吡啶和fe² 或zn² 金属离子之间的清洁的化学计量配位。观察这五种盐溶液交联发生的现象，并进行对比。

2.聚合物膜通过溶液浇铸到特氟隆模具中并且在2天内在真空烘箱中进一步除去溶剂残余物而制备。比较他们的机械性能。

4. 参考文献

(2) park, s.; vosguerichian, m.; bao, z. nanoscale 2013, 5, 1727.

(3) sekitani, t.; someya, t. adv. mater. 2010, 22, 2228.

(4) ko, h.; kapadia, r.; takei, k.; takahashi, t.; zhang, x.; javey, a. nanotechnology 2012, 23, 344001.

5. 计划与进度安排

（1）第1周~第2周：查阅文献资料，撰写开题报告；

（2）第3周~第6周：设计实验步骤及工艺；

（3）第7周~第11周：完成相关实验；