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Maple Leaf Inspired Conductive Fiber with Hierarchical Wrinkles for Highly Stretchable and Integratable Electronics

材料科学 导电体 复合材料 可伸缩电子设备 纤维 薄板电阻 电阻和电导 柔性电子器件 磁滞 数码产品 纳米技术 图层(电子) 量子力学 物理 物理化学 化学
作者
Yaya Gao,Lingyao Yu,Yimeng Li,Leqian Wei,Jun Yin,Fujun Wang,Lu Wang,Jifu Mao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (43): 49059-49071 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.2c12746
摘要

Stretchable and durable conductors are significant to the development of wearable devices, robots, human-machine interfaces, and other artificial intelligence products. However, the desirable strain-insensitive conductivity and low hysteresis are restricted by the failure of stretchable structures and mismatch of mechanical properties (rigid conductive layer and elastic core substrate) under large deformation. Here, based on the principles of fractal geometry, a stretchable conductive fiber with hierarchical wrinkles inspired by the unique shape of the maple leaf was fabricated by combining surface modification, interfacial polymerization, and improved prestrain finishing methods to break through this dilemma. The shape and size of wrinkles predicted by buckling analysis via the finite element method fit well with that of actual wrinkles (30-80 μm of macro wrinkles and 4-6 μm of micro wrinkles) on the fabricated fiber. Such hierarchically wrinkled conductive fiber (HWCF) exhibited not only excellent strain-insensitive conductivity denoted by the relative resistance change ΔR/R0 = 0.66 with R0 the original resistance and ΔR the change of resistance after the concrete strain reaching up to 600%, but also low hysteresis (0.04) calculated by the difference in area between stretching and releasing curve of the ΔR/R0 strain under 300% strain and long-term durability (>1000 stretching-releasing cycles). Furthermore, the elastic conductive fiber with such a bionic structure design can be applied as highly stretchable electrical circuits for illumination and monitors for the human motion under large strains through tiny and rapid resistance changes as well. Such a smart biomimetic material holds great prospects in the field of stretchable electronics.
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