哈佛大学锁志刚教授与科罗拉多大学Hayward教授 PNAS：基于离电子结的柔性温度传感器
从工业生产到日常生活，温度传感器在各个领域都起到了非常重要的作用。温度传感技术至少可以追溯到伽利略时代，它依赖于一个普遍的原理：温度影响所有的物理性质，因而物性测量可以起到温度计的作用。选择何种物理属性是精度、速度、成本和便捷性之间折中的结果。然而传统电阻式温度传感器和热电偶以硬材料为主，这大大地限制了其在复杂工程结构、生物组织等重要场景的应用。近几十年来，软材料的快速发展推动了柔性电子领域的兴起，而柔性传感器则被视为下一代可穿戴设备、智能织物、软体机器人等发展的关键。 最近，哈佛大学锁志刚教授与科罗拉多大学Ryan C. Hayward教授合作开发了一种基于离电子结的新型柔性温度传感器。该传感器的传感单元由离子导体、电子导体和介电层组成（图1）。离子积聚在离子导体与介电层的界面处，而电子则积聚在介电层与电子导体的界面处。通常，积聚的离子数与电子数并不相等，因而在离子导体中会形成具有一定厚度（分子尺度）的离子云。当温度发生变化时，离子云的厚度发生变化，继而产生随温度变化的电压。该温度传感器具有灵敏度高（~1 mV/K）、响应时间短（~10 ms）、自供电等优良特性，同时还具有多种传感构型，能够满足不同的应用需求。由于离子导体、电子导体和介电层皆可为软材料，该温度传感器具有柔性、可拉伸、透明等特点，可被广泛应用于不规则物体表面温度的精准测量。 图1 工作原理 根据离子导体、电子导体和介电层的不同组合方式，温度传感器可设计成多种构型。当离子导体与电子导体不发生化学反应时，不需要引入介电层。首先，他们使用一种包含两个离电子结的传感构型，以含氯化钠水凝胶为离子导体，纳米银导电织物为传感端电子导体，金片为参考端电子导体，对温度传感的基本原理与特性进行了系统的研究（图2）。研究发现传感器灵敏度与离子浓度和传感端电子导体种类高度相关，其响应时间大约为10毫秒。 图2 基本特性 接下来，他们又为该温度传感器设计了三种构型，展示了传感器的可拉伸、透明、稳定以及灵敏度不随变形变化的重要特性（图3）。此外，为了展示该柔性温度传感器在可穿戴设备、软体机器人等领域的应用前景，他们将该传感器安装于自制软体机器手，在抓取物体的过程中实现了不规则表面温度的精准测量 （图4）。 图3 多种传感构型及相关特性 图4 可拉伸、透明温度传感器应用于不规则物体表面温度的精准测量 锁志刚教授团队与Ryan C. Hayward教授团队报道了一种新型基于离电子结的高灵敏、快响应柔性可拉伸温度传感器，深入系统地研究了其工作原理和基本特性，设计了四种传感构型，并展示了其广泛的应用前景。该研究为柔性传感器的设计提供了指导，也为下一代可穿戴设备、智能织物、软体机器人等的发展奠定了基础。? 这项研究工作以Temperature sensing using junctions between mobile ions and mobile electrons为题发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。论文第一作者为王叶成博士（哈佛大学博士、博士后），第二作者为贾坤副教授（西安交通大学），第三作者为张舒文助理教授（西安交通大学）。其他合作者包括Hyeong Jun Kim助理教授（韩国Sogang University）和白阳（西安交通大学研究生）。美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授和科罗拉多大学Ryan C. Hayward教授为论文通讯作者。 论文链接： https://doi.org/10.1073/pnas.2117962119 相关进展 哈佛大学锁志刚教授、西安交大卢同庆教授、斯坦福大学Blanchet教授《Matter》: 高通量实验设计用于预测材料小概率断裂 哈佛大学锁志刚院士与西安交大唐敬达副教授JMPS: 玻璃纤维织物在循环载荷下的撕裂行为研究 哈佛大学锁志刚院士课题组Science：链缠结占主导的聚合物的断裂、疲劳和摩擦行为 哈佛大学锁志刚教授与西安交大卢同庆教授《PNAS》: 水凝胶复合补片 - 用于组织创口闭合的新型医用材料 哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交大贾坤副教授课题组合作：离磁感应助力电子与离子间信号传递 哈佛大学锁志刚教授与西安交大卢同庆教授合作：韧性水凝胶在循环载荷下的裂纹敏感性 哈佛大学锁志刚院士课题组：率相关的纤维/基底界面对复合材料断裂韧性的影响 西安交大卢同庆教授课题组《AFM》：软湿材料强韧粘接的一种通用策略 哈佛大学锁志刚院士课题组：宽度和厚度依赖的软材料断裂韧性 哈佛大学锁志刚教授课题组：容易开裂的可降解塑料 哈佛大学锁志刚院士与西安交大唐敬达副教授《Matter》：抗疲劳复合水凝胶，模拟生物心脏瓣膜 哈佛大学锁志刚教授课题组：在软材料韧性表征方面取得新进展 美国两院院士锁志刚教授在西安交大毕业典礼上的致辞 | 今晚9点有直播访谈 美国两院院士哈佛大学锁志刚教授分享拓扑粘接方面最新进展| 视频回放 南科大软体力学实验室与哈佛大学锁志刚教授团队合作《Adv. Mater.》：具有复杂构型的水凝胶离电器件 哈佛大学锁志刚教授课题组：可降解聚合物中裂纹扩展‘超车’降解 哈佛大学锁志刚教授课题组：首次提出可拉伸粘接的系统表征方法 哈佛大学锁志刚教授课题组：软材料粘接强度与韧性研究取得新进展 哈佛大学锁志刚教授课题组报道拓扑粘接新进展：快速强韧拓扑粘接剂 哈佛大学锁志刚教授课题组：纳米颗粒-弹性体复合材料助力可拉伸驻极体 哈佛大学锁志刚教授课题组：针对不同聚合物网络的双底漆粘接方法 美国哈佛大学锁志刚教授课题组：水凝胶-弹性体器件中的等离子现象 哈佛大学锁志刚教授与西安交大软机器实验室合作：聚合物网络刚度-疲劳门槛值的矛盾及解决方法 哈佛大学锁志刚教授和西安交通大学徐明龙教授课题组合作研发应用于全牙列动态咬合力测量的柔性传感器 哈佛大学锁志刚教授与西安交大软机器实验室合作《JMPS》：抗疲劳橡胶弹性体 哈佛大学锁志刚教授课题组：弹性耗散对软材料断裂韧性的影响 哈佛大学锁志刚教授课题组《Materials Today》：抗疲劳材料设计一般原则 哈佛大学锁志刚教授课题组：瞬时强韧非共价粘接 哈佛大学锁志刚教授和Robert D. Howe教授课题组合作：应用于软机器的贴附式大变形传感器 哈佛大学锁志刚教授课题组：可聚合、交联和表面粘接进程分离的新型水凝胶漆 哈佛大学锁志刚教授课题组：玻璃态分子链拓扑装订——强粘接低疲劳的透明可拉伸界面 哈佛大学锁志刚教授与浙江大学汪浩教授EML：一种凝胶脑机接口 美国哈佛大学锁志刚教授课题组：网络缺陷对软材料力学性能的影响 哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作研发水凝胶的可降解强韧粘接技术 西安交通大学软机器实验室研发出磁凝胶形状控制技术 哈佛锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作《Adv. Funct. Mater.》：研发软结构复合3D打印中的强韧粘接技术 哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交大软机器实验室合作研发光响应可拆卸粘接技术 哈佛大学锁志刚教授课题组：设计分子拓扑结构达到强力干-湿材料粘接 哈佛大学锁志刚教授课题组报道：共价拓扑粘接法 哈佛大学锁志刚教授课题组综述 “水凝胶粘接：一种高分子化学，拓扑结构，和耗散机制的协同作用” 哈佛大学锁志刚教授课题组综述：水凝胶的疲劳 哈佛大学锁志刚教授课题组和麻省大学Ryan Hayward课题组：毛细弹性褶皱 哈佛大学锁志刚教授课题组《PNAS》：设计高韧性、低滞后性的可拉伸材料 加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授和哈佛大学锁志刚教授合作：高性能水凝胶化学传感器 哈佛大学锁志刚教授课题组报道可拉伸密封层：同时实现可拉伸，低韧性和低可透性 哈佛大学锁志刚教授和Joost J. Vlassak 教授合作研制高度可拉伸、抗冻韧性水凝胶 哈佛大学锁志刚教授课题组综述：水凝胶离电器件 哈佛大学锁志刚教授课题组首次报道含水材料拓扑粘接法“分子缝合” 哈佛大学锁志刚教授课题组报道软材料原位粘接法：适用于性质各异的软材料、任意加工工艺 美国哈佛大学锁志刚教授课题组报道双网络水凝胶疲劳断裂 美国哈佛大学锁志刚教授课题组首次报道基于水凝胶的可拉伸液晶器件 美国哈佛大学锁志刚教授课题组首次报道韧性水凝胶疲劳断裂? 高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn 诚邀投稿 欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技?会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。 欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。 申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。 点 这里“阅读原文”，查看更多
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