智能可穿戴材料作為一種前瞻性、顛覆性、智能化的新型材料,正在不斷賦能新型可穿戴設備加速升級迭代,助推著醫(yī)用新材料、人機交互等技術持續(xù)突破。日前,2023年智能可穿戴材料前沿論壇在上海舉行,論壇由上海應用技術大學主辦,上海市新材料協(xié)會協(xié)辦。來自國內外專家學者齊聚一堂,聚焦智能可穿戴材料研究與應用所面臨的創(chuàng)新型發(fā)展的熱點問題,共探材料行業(yè)未來。
在柔性電子器件的制備過程中,材料選擇是關鍵因素之一。不同的材料具有不同的電學、機械和光學性質,因此對器件的性能有著重要的影響。
材料必須具有足夠的柔性性能,以確保在器件彎曲和扭曲時不出現(xiàn)斷裂或損壞。材料應具有適當的電導率、載流子遷移率和能帶結構,以滿足柔性電子器件的工作要求。材料必須與其他器件組件和基底材料相兼容,以確保器件的穩(wěn)定性和可靠性。
制備柔性電子器件的材料成本應該適中,以確保器件的商業(yè)可行性和應用性。正確選擇合適的材料可以有效地提高柔性電子器件的性能和穩(wěn)定性,推動柔性電子技術的發(fā)展和應用。
有機半導體材料是由碳、氫、氧、氮等元素組成的有機化合物,其電子結構使其具有半導體特性。與傳統(tǒng)的硅基半導體材料相比,有機半導體材料的導電性能較差,但由于其分子結構的可調性和可溶性,具有很多獨特的優(yōu)勢。
也稱為有機晶體半導體,其中的載流子傳輸主要由晶體結構中的共價鍵傳導。這類材料通常具有較高的載流子遷移率,適用于高性能的柔性電子器件。
也稱為有機非晶體半導體,其中載流子的傳輸主要由材料中的松散結構和分子間的非共價鍵傳導。這類材料通常具有較低的載流子遷移率,適用于一些低功耗的柔性電子器件。
有機半導體材料的研究取得了重要的進展,許多新型有機半導體材料的特點和優(yōu)勢被發(fā)現(xiàn),并在柔性電子器件中得到應用。新型有機半導體材料的特點與優(yōu)勢包括:
它的半導體材料的分子結構可通過合成方法進行調控和設計,從而實現(xiàn)特定電學、光學和機械性能,滿足不同柔性電子器件的要求。
與傳統(tǒng)的硅基半導體相比,有機半導體材料的制備通常采用溶液法或印刷法等低成本、高效率的方法,降低了生產成本。
有機半導體材料可以制備成薄膜或纖維狀的形式,適合于大面積柔性制備,實現(xiàn)可卷曲、可彎曲的柔性器件。
它的半導體材料的柔軟性和可彎曲性使其能夠適應不規(guī)則和復雜形狀的基底,如彎曲的顯示屏和可穿戴設備。
部分有機半導體材料具有良好的生物兼容性,適合用于生物醫(yī)學應用,如可穿戴的健康監(jiān)測器和醫(yī)療傳感器。
智能可穿戴材料是支撐人工智能、物聯(lián)網、元宇宙等交叉學科發(fā)展的重要載體?!?strong>上海應用技術大學校長汪小帆表示,新工科教育和新興產業(yè)的發(fā)展密切關聯(lián),做好智能可穿戴材料的高水平原始創(chuàng)新,需要在人才培養(yǎng)、科技創(chuàng)新中發(fā)揮產學研“協(xié)同創(chuàng)新、協(xié)同育人、協(xié)同引才”作用,不斷深化產教融合,共同為推動我國智能可穿戴材料行業(yè)的飛速發(fā)展做出更大貢獻。
隨著人們健康觀念的轉變及重視程度的提升,我國大健康產業(yè)正在快速發(fā)展,可穿戴材料的醫(yī)療創(chuàng)新產品愈加受到廣泛關注。中國科學院院士、東華大學教授朱美芳提出,智能可穿戴材料技術及產業(yè)發(fā)展迅速,其研究也成為材料科學與工程領域的重要前沿,需要在加快新材料創(chuàng)新和工藝產業(yè)化的基礎上,不斷打破學科之間的界限,不斷以集成化、微型化、柔性化技術趨勢快速發(fā)展。
“談到紡織,人們往往會把服飾與其等同起來,這其實是對紡織行業(yè)的誤解。”武漢紡織大學教授王棟談到,團隊將柔性傳感器等技術嵌入衣服或貼附于皮膚表面,甚至直接植入人體內,讓精準化的健康管理逐步融入人們日常生活中,目前纖維基可穿戴設備已經應用在運動員訓練康復、血糖監(jiān)測等精確傳感場景中。
基于可穿戴材料的醫(yī)療創(chuàng)新產品,東華大學研究員潘紹武介紹了以可拉伸應變傳感器實現(xiàn)肌電信號和心電信號等電生理信號的有效采集,對血液、神經元活動、心臟等進行連續(xù)長時間的生理參數監(jiān)控。
說到清潔能源,大家沒有想過利用人體體溫也能發(fā)電?如何創(chuàng)新熱電材料驅動“體溫”供電?在上海應用技術大學教授杜永看來,柔性熱電材料具有形狀可彎曲、重量輕和環(huán)境友好等優(yōu)點,圍繞柔性熱電材料的制備工藝,他分享了3D打印、絲網印刷、真空抽濾等路線中的影響因素,“合理設計柔性熱電器件構造,實現(xiàn)能量輸出的最大化,是柔性熱電器件發(fā)展的方向之一,在可穿戴設備及其他柔性電子領域具有較好的應用前景?!?/span>
“智能織物‘穿’和‘戴’是不同的概念。”香港理工大學教授王訓該提出從“無人穿戴的技術”到“隨處可見的可穿戴產品”,仍然面臨舒適性、可持續(xù)性等一系列挑戰(zhàn)。蘇州大學教授方劍展示了紡織工程與智能紗線技術在多功能紗線制造方面的成功應用,為可穿戴設備的集成化發(fā)展提供了新的思路與見解。南洋理工大學教授魏磊提出,在熱拉纖維成型的過程中應用直接壓印的工藝,可實現(xiàn)具有微納結構表面的功能纖維的大規(guī)模制備。
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