近日，本课题组的研究论文《面向透明可穿戴电子器件的高透明、易转移超长碳纳米管网络(HighlyTransparent and Transferable Ultralong Carbon Nanotube Networks for TransparentWearable Electronics)》被ACS Nano接收。论文共同第一作者为汪菲、王康康，通讯作者为清华大学化工系张如范副教授。
高透明度对于可穿戴电子设备具有重要意义，它不仅能提升使用户在日常生活中佩戴设备时舒适程度，还能为人体健康检测提供准确的视觉信息。这就需要具备高透光率、优异的电学性能、高柔韧性、出色的稳定性和抗疲劳性等特性的材料来构建导电层。而碳纳米管能很好地满足上述需求，是面向可穿戴设备的理想导电材料。然而，尽管碳纳米管具有优异的电学性能，当碳纳米管进一步组装成宏观网络时，其整体性能会显著降低。这是由于传统的碳纳米管网络是由短碳纳米管（长度小于100 μm）相互堆叠构建而成的，而碳纳米管之间的结间电阻会极大程度上降低网络的整体导电性能。超长碳纳米管（UCNTs）具有厘米级的单体长度和近乎完美的原子结构，因此使用UCNTs构建网络理论上能大大降低结间电阻，实现高透明导电网络的制备。
在本研究中，我们基于“基底拦截导向”法制备了厘米级的悬空UCNTs导电网络（UCNTNs），这种网络具有超高透光率（> 99%）、良好的导电能力与可操纵性。
图1. UCNTNs的制备与表征
为进一步揭示长度对碳管网络导电行为的影响，我们对于不同长度的碳管网络进行建模分析。结果显示，在同等的碳管用量下，随着长度的增长，结间电阻显著降低，而由碳管本身电阻的贡献仅略微下降。同时长度越长，网络的渗流阈值越低，进一步验证了超长碳管在构建高透明导电网络方面的巨大潜力。
图2. 长度对碳管网络导电性能的影响机制
我们将UCNTNs与图案化的透明弹性聚合物基底复合，实现了基于UCNTNs的透明柔性压力传感器的构建。这种超高透明度的UCNTNs的引入仅对原基底造成了0.36%的透明度损失，而根据器件受力仿真模拟的结果可知，UCNTNs依然能准确地反映出基底的形变程度。
图3. 基于UCNTNs的透明柔性压力传感器
该传感器灵敏度高（225.11 kPa-1）、工作范围宽（可达160 kPa）、响应时间短（11 ms）以及循环稳定性好（＞10,000次循环），综合性能优于大多数已报道的透明压力传感器。此外，该传感器在人体健康检测与人机交互领域也实现了初步的应用展示。总而言之，该UCNTNs基压力传感器优异的传感性能与实际应用潜力，进一步证实了UCNTNs是制备下一代透明可穿戴电子设备的理想导电材料。
图4. 基于UCNTNs的柔性压力传感器的传感性能
图5. 基于UCNTNs的柔性压力传感器的应用展示
该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。ACS Nano是美国化学会旗下的综合性期刊，专注于纳米材料领域的顶级研究成果。该期刊2023年的影响因子为15.8。
