柔性電子材料因其可應用于如柔性電路、柔性顯示器、柔性太陽能電池、電子紙、觸摸屏、植入式醫療設備以及具有皮膚感應功能的機器人系統等之中，受到了人們的廣泛關注。碳納米管（CNTs），由于其獨特的性質，例如高的本征載流子遷移率、導電性、機械柔韌性以及在低成本生產方面的潛力，是柔性電子器件的理想候選者。雖然由單個碳納米管組成的器件被認為是實現某些應用的一種選擇，但由于難以將單個碳納米管放置在所需的位置，以及碳納米管的電性能隨其手性和直徑的不同而變化，因此在商業化應用上存在著巨大的挑戰。另一方面，基于薄膜的CNTs設備的電性能因平均化而相對統一，提供了一條實用的商業化途徑。因此，開發一種簡單、高效、廉價且可靠的制備二維CNTs薄膜的方法以及將其簡單、有效地與彈性高分子相復合，制備柔性的可穿戴傳感器，對于推動其商業化應用具有重要的現實意義。針對上述需求，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤課題組開展了一系列研究。

圖1 水/空界面制備大面積CNT薄膜的示意圖

研究人員利用Marangoni力效應通過類Langmuir-Blodgett法將分散在乙醇中的碳材料分散體滴入到水表面，發展了一種在水/空氣界面快速形成大面積二維CNTs薄膜的方法。該方法相較于當前制備CNTs薄膜的方法（化學氣相沉積、基于懸浮液沉積、浸涂、旋涂、噴涂、抽濾、逐層組裝和Langmuir-Blodgett法）更加簡單、高效，無需昂貴的儀器即能制備均勻的大面積薄膜。在界面上形成的CNTs薄膜具有厚度，透射率和導電率可調，且允許進一步轉移到其他基板或界面進行進一步修飾與功能化 (Chem. Mater., 2016, 28, 7125; J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 9750，授權專利號：ZL201510466050.3)。

圖2 2D CNT薄膜的自組裝和原位不對稱修飾示意圖

進一步，研究人員發現上述CNTs薄膜經過一段時間的陳化，CNTs上攜帶的親水性基團將誘導其自組裝形成具有不對稱潤濕性的薄膜，再經過進一步的水/油界面原位不對稱修飾可構筑二維非對稱Janus薄膜。由于其高度的可設計性，可以實現不同功能性分子的非對稱構筑，此法為Janus材料的制備提供了一種新的制備方法和研究思路，將會有助于拓寬Janus膜材料的應用領域（Chem. Commun., 2018, 54, 12804）。

基于二維CNTs薄膜的可轉移特性，研究人員將其轉移至聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜表面，進一步構建了一種可穿戴應變傳感器。該傳感器可以通過控制轉移CNTs薄膜的次數來精確控制其厚度，以調整在拉伸過程中CNTs/PDMS復合材料網絡裂紋連接的分離島的間隙、島和橋的形成。這種網絡裂紋狀結構賦予了該應變傳感器高的靈敏度系數（最大GF為87）、寬檢測范圍（高達100％），低的應變檢測極限（=0.007％）和優異的穩定性（循環1500次）。可同時適用于微小應變和大應變檢測，包括動脈脈搏的振動、音樂振動和關節彎曲等（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140）。

圖3 網絡裂紋狀可穿戴應變傳感器

可穿戴電子產品因其在智能人機界面、可穿戴人體健康監測儀和模仿生物器官中的潛在應用而引起廣泛關注。然而，大面積、低成本制備自粘性和易于轉移的柔性超薄膜仍然具有很大的挑戰性。研究人員通過直接在水/空界面處制備的CNTs薄膜表面噴灑熱塑性彈性高分子（TPE）溶液，待溶劑揮發完全后，即在水/空界面處形成了CNTs/TPE非對稱二維Janus雜化膜，構建了一種超薄、自支撐和自粘附性的柔性傳感器。該傳感器可以直接附著在人體皮膚表面用于實時人體生理行為檢測。此外，還可用于有效檢測微小氣流變化甚至聲音傳播過程中引起的擾動。該非對稱彈性體二維復合薄膜在可穿戴柔性電子皮膚和人工耳膜方面具有潛在的應用價值（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666）。

圖4 水/空界面制備大面積自粘附、自支撐柔性電子皮膚

以上工作得到國家自然科學基金（51573203）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院國際合作重點項目（174433KYSB20170061）的資助以及中科院青年創新促進會的支持（2017337）。