一、研究背景

在自然界中，非潤濕微結(jié)構(gòu)經(jīng)常會在水下捕獲微觀空氣層。例如，浸沒在水中的荷葉會在其分層的微納米結(jié)構(gòu)表面捕獲 10-50 μm 厚的空氣層。這就形成了一個明亮的反射水-氣界面。最初，接觸線被固定在表面微結(jié)構(gòu)的尖端；隨著水壓的增加，水-空氣界面向荷葉表面下垂并壓縮空氣，從而保持靜水壓力、毛細(xì)管壓力和截留空氣壓力的平衡（圖 1a）。壓力的進(jìn)一步增加會使接觸線變細(xì)。

當(dāng)水壓降低時，這一過程就會逆轉(zhuǎn)。荷葉表面的多尺度微/納米結(jié)構(gòu)、裝飾微/納米結(jié)構(gòu)的蠟質(zhì)材料的低表面能以及空氣的彈性使得這種可逆性成為可能。換句話說，這種浸沒式非潤濕微結(jié)構(gòu)自然形成了對壓敏的固-液-氣接觸線，這意味著一種新的壓力傳感機(jī)制。然而，液體分子與納米級粗糙固體表面之間的粘附會導(dǎo)致液體的釘扎。這種釘扎效應(yīng)會導(dǎo)致接觸線運動滯后，從而導(dǎo)致接觸線運動對壓力變化的響應(yīng)不佳。

二、研究背景

要利用截留空氣進(jìn)行電子壓力傳感，新加坡國立大學(xué)(NUS)的研究人員需要有效地調(diào)節(jié)接觸線的運動，利用雙電層（EDL）將壓力轉(zhuǎn)換為電容。接觸線的移動會改變固液界面的接觸面積，從而改變 EDL 產(chǎn)生的界面電容。他們揭示了推進(jìn)角與傳感閾值之間的相關(guān)性，以及接觸角滯后與傳感滯后之間的相關(guān)性。這表明，通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面化學(xué)性質(zhì)的精細(xì)控制，可以優(yōu)化壓力傳感。

他們的方法與傳統(tǒng)的固態(tài)壓力傳感器截然不同，傳統(tǒng)的固態(tài)壓力傳感器主要依靠壓阻、壓容、壓電感和壓電等工作機(jī)制。這些壓力傳感器利用固體的彈性變形，如壓敏膜、懸臂結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)低楊氏模量材料。這些壓力傳感器在液體環(huán)境中不適用，或性能有限，例如線性度低、滯后性高和靈敏度低。因此，這些傳感器不太適合用于水環(huán)境或體腔內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。與這些固態(tài)壓力傳感器相反，他們的策略是利用多尺度結(jié)構(gòu)固-液-液-氣多相系統(tǒng)的無釘扎接觸線運動來創(chuàng)建一種新型氣彈電容式壓力傳感器，稱為 eAir（圖 1c）。他們展示的 eAir 是一種微型（約 0.5 mm3）傳感器，該傳感器使用以豬籠草屬豬籠草植物為模型的光滑表面的六邊形壁柱陣列微結(jié)構(gòu)。與其他在液體環(huán)境中工作的壓力傳感器相比，這種傳感器可以測量液體中微小的壓力波動，具有超低滯后（1.34 ± 0.20%）、高靈敏度（79.1 ± 4.3 pF kPa-1）和極高的線性度（R2?= 0.99944 ± 0.00015；非線性度，1.49 ± 0.17%）（圖 1d、g）。他們進(jìn)一步證明，eAir 可以在各種復(fù)雜條件下工作，包括湍流、體內(nèi)生物環(huán)境和腹腔鏡手術(shù)期間的超靈敏壓力監(jiān)測。相關(guān)研究工作以“Frictionless multiphasic interface for?near-ideal aero-elastic pressure sensing”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。祝賀！

三、圖文速遞

此外，對于這種空氣彈性壓力傳感器，潤濕過程也決定了其傳感性能。這主要取決于液體壓力、毛細(xì)管壓力和截留空氣壓力的平衡。特別是，毛細(xì)管壓力會受到表面潤濕特性的影響。因此，他們利用這種閉孔六方陣列結(jié)構(gòu)（圖 2a）進(jìn)一步研究了潤濕特性如何影響壓力傳感性能。他們設(shè)計了四個表面，即表面 I-IV（圖 2b-e），通過調(diào)整表面粗糙度和表面能，使其具有不同的前進(jìn)和后退接觸角。不同處理表面的前進(jìn)角和接觸角滯后的差異是由于接觸線被不同程度的表面粗糙度釘扎。在聚苯胺（PAni）納米線的誘導(dǎo)下，表面 III 和 IV 的高粗糙度顯著增強(qiáng)了接觸線的釘扎作用（圖 2f）。隨著表面粗糙度降低到納米級（表面 II），前進(jìn)角和接觸角滯后也相應(yīng)減?。▓D 2f）。涂抹硅油后，表面 I 變得分子光滑和超滑，類似于注入液體的多孔滑面（SLIPS）。這大大降低了接觸線的針扎現(xiàn)象，從而使前進(jìn)角變小，接觸角滯后現(xiàn)象可以忽略不計（圖 2f）。他們觀察到界面潤濕特性對傳感性能的明顯趨勢：前進(jìn)角越大，正向閾值越高（圖 2g）；接觸角滯后越大，器件的后向閾值和滯后越高（圖 2h，i）。

為了克服這種閾值效應(yīng)，同時實現(xiàn)高線性度，上述研究促使他們采用六角形壁柱陣列結(jié)構(gòu)來取代單獨的六邊形室（圖 4a）。這種具有超滑表面 I 的新結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了接近零閾值、無磁滯和高線性度的壓力傳感性能（圖 4b）。共聚焦顯微鏡圖像顯示了這種裝置在不同壓力下的水下潤濕過程（圖 4c）。重合度較高的循環(huán)讀數(shù)表明該裝置在不同壓力范圍內(nèi)具有出色的性能一致性（圖 4d）。與商用體內(nèi)壓力傳感器相比，eAir 設(shè)備能以極高的信噪比（SNR）測量微小壓力（圖 4e）。即使使用惠斯通電橋來降低噪音，商用傳感器的信噪比仍然較低。這種無閾值特性還能響應(yīng)微小的動態(tài)壓力變化，如頻率高達(dá) 1 kHz 的水下聲波振動（圖 4f）。在穩(wěn)定性方面，他們的 eAir 設(shè)備在 0-5 kPa 的 1000 次加載-卸載循環(huán)中的變化極小，僅為 1.01%（圖 4g）。值得注意的是，即使在雷諾數(shù)為 6 400 的高湍流液體環(huán)境中，eAir 也能穩(wěn)定運行（圖 4h）。

四、結(jié)論與展望

總之，他們在此報告了一種仿生氣動彈性壓力傳感器 eAir，它不同于傳統(tǒng)的固態(tài)壓力傳感器，實現(xiàn)了接近理想的傳感性能。他們采用多尺度結(jié)構(gòu)電極和消除納米級表面釘扎的策略，創(chuàng)造了一種無膜壓力傳感器設(shè)計。這種方法實現(xiàn)了極高的線性傳感，同時在液體環(huán)境中具有超低滯后和高靈敏度。他們進(jìn)一步闡明了此類傳感器的設(shè)計規(guī)則。他們展示了用于監(jiān)測 ICP 的無線植入式設(shè)備和用于反饋腹腔鏡手術(shù)中抓握力的傳感手術(shù)抓握器，并以此作為用例。他們預(yù)計，他們提出的在不同液體和環(huán)境壓力下進(jìn)行壓力傳感的策略可廣泛應(yīng)用于需要超高精度和靈敏度的壓力監(jiān)測應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01628-8