信息和物聯網技術的迅速發(fā)展，催生了對(duì)電子系統的柔性化需求。觸摸屏是十分普及的人機交互媒介，其中最關鍵的材料是透明導電薄膜。傳統的觸摸屏基于氧化铟錫（ITO）透明導電薄膜制備，還(hái)存在硬、易碎、不能(néng)彎曲折疊、不能(néng)共形貼合于曲面(miàn)或人體以及碎裂後(hòu)不可自修複等不足。設計具有自修複和可逆粘附功能(néng)的柔性透明導電材料，結合位置傳感技術，制作柔性觸摸屏，實現其貼附于任意曲面(miàn)或穿戴于人體的應用，是柔性電子領域的迫切需求。水凝膠是含水聚合物網絡材料，具有雙連續相結構，其中，聚合物網絡賦予其柔性固體性質，水和溶解的可移動離子賦予其離子導電性。如何進(jìn)行分子和網絡結構設計，使離子導電水凝膠具有高透光性、良好(hǎo)的力學(xué)、自修複和粘附性能(néng)，在此基礎上構建高分辨觸摸屏，具有重要的科學(xué)意義和使用價值。
基于近年來在高分子水凝膠分子設計以及在形狀記憶、智能(néng)驅動、柔性傳感等領域應用的研究基礎（Adv Funct Mater, 2018, 28, 1704568; ACS Sensor, 2018, 3, 2394; Adv Sci, 2019, 6, 1801584; Sci China Mater, 2019, 62, 831; ACS Macro Lett, 2019, 8, 937; Adv Funct Mater, 2019, 1905514; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,16243; Research, 2019, 2384347; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19237; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007885; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI:10.1002/anie.202011645），中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所陳濤研究員團隊與中科院納米能(néng)源與系統研究所王中林院士、潘曹峰研究員團隊合作，開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)可粘附于任意曲面(miàn)使用的自修複水凝膠觸摸屏（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004290）。
這(zhè)樣(yàng)的水凝膠是在納米粘土（[Mg5.34Li0.66Si8O20(OH)4]Na0.66）水溶液中原位聚合兩(liǎng)性離子單體（3-[[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]二甲铵基]丙烷-1-磺酸鹽（DMAPS））而合成(chéng)的。其中的可移動離子爲Na+（圖1a）。聚合物/粘土間的非共價吸附交聯作用，以及聚合物分子鏈上的正負電荷基團吸引，賦予水凝膠自修複功能(néng)（圖1b-c）。兩(liǎng)性離子基團與皮膚等被(bèi)粘物的極性相互作用，賦予其可逆粘附性（圖1d-e）。研究人員采用表面(miàn)電容觸控（SCT）技術，首先構建了1D水凝膠觸摸條（圖1f-g）。其電路搭接方法如圖1a：在水凝膠條兩(liǎng)端分别接電極、外部電阻，再接入交流電源。手指定位原理如下：手指觸碰凝膠時，與凝膠間形成(chéng)耦合電容（Cfinger），因此，電流可以經(jīng)手指接地，形成(chéng)通路；凝膠可看作電阻（Rh），該電阻被(bèi)手指分爲左、右兩(liǎng)部分，各部分電阻值與其歸一化長(cháng)度（x、1-x）成(chéng)正比；左、右兩(liǎng)部分凝膠電阻并聯，且分别串聯一個外部電阻（Re），然後(hòu)接入同一交流電源；因爲并聯電路兩(liǎng)端電壓相等，所以，當手指移向(xiàng)凝膠右側，則右側凝膠分得的電壓減小，而右側外部電阻上電壓增大，相應地，左側凝膠分得的電壓增大，左側外部電阻上電壓減小；從而，根據外部電阻上的電壓值可以确定x值，即手指位置（圖1f-g）。
水凝膠觸摸屏具有良好(hǎo)的力學(xué)性能(néng)和透明度，斷裂伸長(cháng)率＞1500%，對(duì)可見光（400-800nm）的平均透過(guò)率爲98.8%，經(jīng)折疊、彎卷、扭轉後(hòu)或在拉伸狀态下仍能(néng)保持高度透明。爲提供舒适的觸碰體驗，并延緩凝膠水份揮發(fā)，可在凝膠表面(miàn)覆蓋PDMS薄膜。水凝膠可粘附在濾紙、玻璃、丁腈橡膠、木頭、棉布、PET、ABS、VHB膠帶、矽橡膠、尼龍、PMMA、PS、PE等多種(zhǒng)塑料、橡膠、織物或天然絕緣材料上。影響粘附牢固程度的因素包括水凝膠-基材間的靜電、氫鍵、偶極等作用強度，基材表面(miàn)粗糙度，凝膠高分子鏈-基材間拓撲纏結，以及粘附界面(miàn)的能(néng)量耗散能(néng)力。随基材種(zhǒng)類不同，粘附強度在1.941kPa，粘附韌性在38～18Jm-2之間變化。水凝膠觸摸屏具有快速的導電性自修複能(néng)力，和優異的拉伸性能(néng)自修複效率（圖2）。在凝膠中通直流電，切斷，再拼接，電流經(jīng)21s恢複。拼接24h，斷裂伸長(cháng)率回複至98%。拼接後(hòu)的凝膠條仍具有手指定位功能(néng)，可用于彈奏電腦鋼琴遊戲。
進(jìn)一步地，研究人員將(jiāng)表面(miàn)電容觸控技術應用于2D水凝膠方片，實現了手指定位功能(néng)，構建了水凝膠觸摸屏（圖3）；將(jiāng)觸摸屏集成(chéng)到計算機上，實現了文字、圖像、指令輸入功能(néng)。這(zhè)樣(yàng)的觸摸屏可用于寫字、畫畫，或穿戴于手臂用于操控電腦遊戲。
本工作爲自修複、可粘附柔性觸摸屏的開(kāi)發(fā)提供了新材料設計思想和位置傳感的技術支持。該研究得到了國(guó)家重點研發(fā)計劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點研究項目、中科院青促會、北京市科技委項目、北京市自然科學(xué)基金等項目資助。
圖1 自修複、可粘附位置傳感器：（a）1D水凝膠觸摸條構築結構；切斷-拼接的水凝膠經(jīng)（b）靜電吸引和（c）高分子鏈/粘土非共價吸附交聯而自修複；（d）水凝膠與皮膚間的極性非共價作用，和（e）粘附于皮膚的照片；（f）手指在1D觸摸條上逐點移動，V1電壓随手指位置的變化；（g）手指觸碰x=14/15前後(hòu)，V1電壓的變化
圖2 自修複1D水凝膠觸摸條：（a）不同修複時間水凝膠的拉伸曲線；（b）水凝膠斷面(miàn)拼接-拉伸照片；（c）切斷-拼接前後(hòu)，水凝膠上電流的變化1；D觸摸條切斷-拼接（d）前（e）後(hòu)，V1電壓随手指滑動位置的變化；粘附于尼龍棒的觸摸條（f）被(bèi)切斷-拼接，并用于（g）彈奏遊戲鋼琴
圖3 2D水凝膠觸摸屏：（a）觸摸屏電路圖和觸碰位置（輸入位置）；（b）與觸碰位置對(duì)應的V1、V2、V3、V4電壓峰值；（c）由電壓值算得的觸碰位置（輸出位置）；觸摸屏（d）集成(chéng)于個人電腦系統，并（e）用于寫字
（高分子與複合材料實驗室 高國(guó)榮）
