性能稳定的户外可穿戴电子器件目前备受关注，但是由于通常户外阳光辐射以及佩戴者运动会影响器件性能，因此要保证户外电子器件持续稳定的性能存在很大挑战。目前，研究人员主要是通过将辐射制冷器件集成到可穿戴设备中进行室外的热管理，但是这些方法主要依赖易受热的热塑性聚合物，以及不适用于可穿戴电子器件的应变敏感导体。
首尔国立大学的Seung Hwan Ko团队介绍了一种即使在太阳辐射下被拉伸后依然具有机械、电气、以及热稳定性的可穿戴电子器件。通过将聚二甲基硅氧烷纳米纤维冷却器和液态金属集成实现一个完全稳定的可穿戴设备。作为热固性聚合物的固有属性，纳米纤维的热稳定性在高太阳光反射以及热发射表现出优异的冷却性能。该团队开发了集成了热和机电稳定组件的可穿戴电子器件，可以在恶劣环境中准确检测生理信号，包括太阳光暴晒、高拉伸应变等。
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图1：全方面稳定的户外可穿戴电子产品。(A) 户外可穿戴电子器件是由PDMS纳米纤维和液态金属组成。为了满足在恶劣环境中器件的稳定性，包括暴露在阳光直射的室外环境(热挑战性)和用户的身体运动(机械挑战性),可穿戴器件应该具有机械、电气、和热稳定性。(B) 所开发的户外可穿戴电子器件的综合稳定性：机械稳定性、热稳定性、以及电气稳定性。(C) PDMS纳米纤维具有反射太阳光并发射热辐射的辐射冷却能力。PDMS纳米纤维中聚合物链之间的强交联键赋予了其热稳定性。(D) 液态金属在承受拉伸形变时电阻变化几乎不变，因此表现出应变不敏感的特性。(E-G) 所制备的PDMS纳米纤维膜以及液态金属制备的柔性电路均表现出非常好的柔性和延展性。
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图2：PDMS纳米纤维的制备及热稳定性表征。(A) 为了制造出PDMS纳米纤维，采用了基于同轴喷嘴的静电纺丝技术，以解决单喷嘴技术的局限性，主要是由于PDMS与热塑性聚合物不同的凝固机制。基于同轴喷嘴的静电纺丝技术，制备了由PDMS和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)层分别作为芯层和壳层的纳米纤维结构(B-i)；PVP壳层在未固化状态下作为PDMS内核的结构支撑。之后，将制备的纳米纤维在110℃下加热10h以交联核心材料的聚合物链(B-ii)。最后，通过乙醇冲洗纤维膜以消除外壳层并留下核层(B-iii)。(C) PDMS纳米纤维的XRD图显示，有壳层和无壳层的纤维成分明显不同。说明乙醇洗涤过程有效祛除了PVP壳层。(D) 证明了PDMS纳米纤维膜的热稳定性，即使在高温暴露后依然能够保留其多孔结构的能力。(E) 通过测试的各种辖内的DSC图谱，包括了集中不同的纳米纤维材料，最终结果显示PDMS纳米纤维膜是稳定散热应用中的理想候选者。(F-G) PDMS纳米纤维膜在受热前后均表现出非常稳定的机械回弹性，进一步表明了其高的机械热稳定性。![]()
图3：将PDMS纳米纤维覆盖在热电器件上的辐射制冷性能和热管理能力。(A-B) 纳米纤维膜中显微的平均尺寸在2.51μm左右，而且纤维网格内部随机相互连接的孔隙结构增强乐膜用于皮肤电子时的水分运输。(C) 具有分级多孔的纳米纤维结构使得PDMS纳米纤维膜表现出的太阳光反射率高达94%，以及极高的红外反射率（96%）。(D-E) 在太阳光直射的情况下，PDMS纳米纤维膜表现出低于环境温度6.6℃的最高冷却温度，证明了其在室外热管理应用中出色的环境冷却性能。(F) 不同类型顶部基底的TED冷却性能示意图：(i) 无基底(对照组1)，( ii) PDMS薄膜基底(对照组2), (iii) PDMS NFs基底(实验组)。(G,H) 光强为500Wm-2的氙灯照射下TEDs底面温度, (G) 为TED降温前, (H) 为TED降温后。(I) 红外图像显示了在0和500 Wm -2不同氙气强度下，集成不同顶部基板的TED的散热面。![]()
图4：应变不敏感的液态金属导体。(A) 展示了通过激光图案化处理、刻蚀、转印的方式实现了在PDMS纳米纤维膜上进行液态金属图案化电极制备的过程。(B) 所制备的电极具有很好的延展性和柔性。(C）通过预拉伸的方式能够实现液态金属电极的应变不敏感特性，通过大的拉伸应变引入宏观的波纹结构能够实现在拉伸过程中电极结构的稳定性以及电阻不变特性。(D-E) 所制备的电极在承受大的应变拉伸时电阻的变化几乎可以忽略不计，并且在上万次的循环拉伸实验中依然保持非常好的机械稳定性。(F-G) 由于液态金属的流体特性，在于电子芯片相互连接时表现出可忽略接触电阻的自焊行为。同时由于液态金属本身的高表面张力和润湿行为，又保证了芯片连接过程中不会被短路的问题。(H) 液态金属电极与芯片连接后，在拉伸过程中表现出稳定的电气性能。![]()
图5：全方面稳定的可穿戴电子设备，即使在拉伸以及太阳光照射的条件下也能进行稳定的生理信号检测。(A-C) PPG传感机理，结构设计图，以及实物图。进行了一系列室内和室外实验，以验证该装置在热苛刻条件下的适用性。(D-E) 为了进行室内评估，在强度为1000 Wm -2的氙灯照射条件下进行实验，模拟室外条件，将器件与对照组(未被PDMS NFs覆盖)的性能进行比较。结果表明，所设计的具有PDMS纳米纤维膜的器件具有非常好的在环境中的综合性能稳定性。(F-G)同时，测试了在实际外部环境下的器件性能，同样表现出极高的器件稳定性。作者提出了一种具有全方面稳定性的可穿戴电子器件，能够实现室内外严苛环境下的稳定工作。所设计的器件主要包括热稳定性、机械稳定性以及电气稳定性等几个主要影响柔性电子器件工作性能的关键因素。作者团队还进行了实际应用演示，这种具有全方面稳定性的定器件可以在拉伸和暴露在阳光直射下检测到准确的PPG信号。期望该项研究工作能够为未来户外可穿戴电子器件设计制备提供有效的策略。
【参考文献】
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c10241
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