用于电子皮肤应用的排列纳米网格电极中的机电各向异性

《Advanced Materials Interfaces》：Electromechanical Anisotropy in Aligned Nanomesh Electrodes for E-Skin Applications

电纺纳米网电极通过纤维对齐实现机械各向异性，使其在拉伸方向可分别作为高灵敏度应变传感器（平行对齐）和稳定互连（垂直对齐），兼具透气性和化学稳定性，适用于可穿戴电子皮肤。

　　这项研究聚焦于开发一种具有方向性调控能力的纳米网电极平台，旨在为可穿戴电子设备提供更灵活、高效和耐用的解决方案。通过采用电纺丝技术制造自由-standing的纳米网结构，并结合特定的材料处理工艺，研究人员成功实现了电极在不同方向上的机械和电学性能差异化。这种方向性调控不仅提高了设备对机械变形的响应能力，还增强了其在实际应用中的稳定性和兼容性，特别是在与人体皮肤接触的场景中表现尤为突出。

### 纳米网电极的优势

纳米网电极因其出色的机械顺应性和透气性，成为集成于皮肤的电子设备的理想选择。与传统的薄膜基底相比，纳米网结构具备更高的柔韧性和透气性，可以适应复杂的皮肤表面，同时避免因汗水积聚而导致的不适感或皮肤刺激问题。在研究中，通过实验验证了纳米网电极在24小时水蒸发测试中的表现，其水分蒸发速率介于开放结构和薄膜之间，说明其在保持透气性的同时也具备一定的密封性，能够有效防止外部环境对电极的直接侵蚀。此外，通过猪皮贴附实验，研究人员发现纳米网电极能够维持开放的汗腺通道，而传统薄膜则会封闭这些通道，进一步证明了其在长期佩戴中的皮肤友好性。

### 电极性能的差异化调控

在传统纳米网结构中，由于纤维的随机排列，其机械性能呈现各向同性，导致在不同方向上的应变响应相似，难以满足特定应用场景中对方向性调控的需求。例如，在手腕等关节部位，应变具有方向性，传统的各向同性结构无法准确捕捉这种方向性变化，影响了设备的性能。为此，研究团队提出了一种基于几何结构驱动的定向电纺丝方法，通过旋转鼓式电纺系统实现纤维的定向排列，从而构建出具有方向性特性的纳米网电极。

定向排列的纳米网电极表现出显著的电机械各向异性。当电极受到与纤维方向平行的拉伸时，电极的主要变形发生在纤维层面，纤维的拉伸直接导致金属层（如金）的断裂，从而产生显著的电阻变化，适用于高灵敏度的应变传感。相反，当拉伸方向与纤维垂直时，电极的变形主要体现在孔隙的拉伸和纤维之间的接触变化上，这种变形方式能够更均匀地分散应力，避免局部断裂，从而维持较低的电阻变化，使其适用于需要稳定导电性的互连应用。这种方向性调控的实现，使得纳米网电极能够根据不同的应用需求，灵活地切换为应变传感器或互连组件。

### 材料选择与工艺优化

为了提升纳米网电极的稳定性和环境适应性，研究人员选择了具有良好生物相容性和化学惰性的材料进行电极层的构建。金（Au）作为导电层，因其优异的导电性能和耐腐蚀性被广泛采用。然而，金本身缺乏延展性，容易在拉伸过程中断裂，影响电极的长期性能。为此，研究团队引入了聚对二甲苯（Parylene）作为封装层，其疏水特性能够有效阻挡水分和离子的渗透，保护电极免受汗液和生物液体的侵蚀。同时，通过氧气等离子体刻蚀技术，研究人员能够在保持电极功能的同时，减少不必要的金属暴露，进一步提高其在复杂环境下的稳定性。

在电极制造过程中，研究人员还通过调节电纺丝的时间和工艺参数，优化了纳米网的结构和性能。例如，延长电纺丝时间可以提高纤维的覆盖率和密度，从而增强电极的延展性和导电性，但同时也会降低其柔软性。因此，通过实验筛选，研究人员确定了一种最佳的电纺丝时间（30秒），能够平衡结构稳定性和电学性能。此外，通过引入多个平行切口，研究人员进一步提高了平行排列纳米网在拉伸过程中的延展性，使其能够在保持电学连续性的前提下，承受更大的应变。

### 应用验证与性能评估

为了验证纳米网电极在实际应用中的性能，研究人员将其应用于手腕部位的动态测试中。通过将纳米网电极与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）纤维网结合，形成一种临时的粘附层，电极能够紧密贴合皮肤，并在手腕弯曲和伸展过程中保持良好的电学性能。实验结果显示，垂直排列的纳米网电极在手腕弯曲时能够维持电学连续性，而随机排列的纳米网则容易因局部应力集中而断裂，导致电路断开。这一结果进一步验证了定向排列对电极稳定性和功能性的重要性。

此外，研究团队还对纳米网电极的动态稳定性进行了测试，将其在手腕上进行超过1000次的拉伸和压缩循环。实验发现，电阻变化非常微小，说明该电极在重复机械变形下仍能保持良好的电学性能。这一特性对于需要长期佩戴的可穿戴设备至关重要，能够确保其在使用过程中的可靠性和耐久性。

### 多功能与可扩展性

该研究提出的纳米网电极平台不仅具备方向性调控能力，还实现了电学和机械性能的多功能整合。在平行排列结构中，电极表现出极高的灵敏度，适用于高精度的应变检测；而在垂直排列结构中，电极则具备良好的延展性和稳定性，适用于需要持续导电的互连应用。这种双功能特性，使得纳米网电极能够满足多种应用场景的需求，如电子皮肤、健康监测系统和人机交互设备等。

更重要的是，该平台具备良好的可扩展性。通过滚筒式电纺技术，研究人员能够大规模生产具有定向排列结构的纳米网电极，并将其集成到厘米级别的基底上。这一工艺不仅提高了生产效率，还降低了成本，为未来可穿戴设备的大规模应用提供了可能。同时，通过简单的层叠方式，研究人员还展示了如何将定向纳米网电极用于构建多层功能设备，如平行板电容器，进一步拓展了其在电子系统中的应用潜力。

### 环境适应性与长期兼容性

在实际应用中，纳米网电极需要具备良好的环境适应性，以应对汗水、湿度和生物液体等外部因素的影响。研究团队通过铜电极在磷酸盐缓冲液（PBS）中的对照实验，验证了Parylene封装层对离子渗透的有效抑制。实验发现，未封装的铜电极在PBS中会发生明显的腐蚀和阻抗漂移，而经过Parylene封装的铜电极则保持了良好的电学稳定性。这表明，Parylene不仅能够提供物理保护，还能有效防止离子干扰，从而提升电极的长期性能。

此外，纳米网电极的透气性也使其在与皮肤接触时能够有效调节湿度，避免因汗水积聚而导致的皮肤不适或炎症。这一特性在电子皮肤等长期佩戴的设备中尤为重要，能够确保用户在使用过程中的舒适度和安全性。通过结合透气性、生物相容性和离子屏蔽功能，该电极平台为电子皮肤的应用提供了全面的解决方案。

### 未来展望与意义

这项研究为可穿戴电子设备的发展提供了新的思路和方法。传统的柔性电子设备往往需要依赖弹性材料作为支撑，这不仅增加了制造成本，还可能影响设备的透气性和舒适度。而该研究提出的纳米网电极平台，能够在无弹性支撑的情况下，通过材料的定向排列实现机械和电学性能的差异化，同时保持良好的透气性和生物相容性。这种设计策略不仅简化了设备的结构，还提升了其在复杂环境下的适应性。

此外，该研究还展示了纳米网电极在实际应用中的潜力。通过将电极集成到手腕等动态部位，研究人员验证了其在运动和变形过程中的稳定性和可靠性。这种技术可以广泛应用于医疗监测、运动追踪和人机交互等领域，为未来智能穿戴设备的开发提供了重要的技术基础。

综上所述，这项研究通过定向排列的纳米网结构，实现了电极在不同方向上的机械和电学性能差异化，为电子皮肤和可穿戴设备提供了兼具高灵敏度和稳定性的解决方案。该平台不仅在材料选择和工艺优化方面取得了重要进展，还通过实验验证了其在实际应用中的性能，展现出广阔的应用前景。