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皮肤也能播放音乐?透明可穿戴式麦克风问世

2018-08-22 14:48 · 作者:   阅读:186   来源:科研圈



图片来源:Ulsan National Institute of Science and Technology


“在我的BGM里,没人能够打败我”——这将不再是影视剧人物的专属:现在,在手指上贴一块堪比纹身的纳米薄膜,便能随身自带麦克风和扬声器了。来自韩国蔚山科学技术大学(Ulsan National Institute of Science and Technology)的科学家,他们利用正交银纳米线阵列,制造出了一款纳米级厚度的超薄、透明的杂化纳米薄膜。该薄膜良好的导电性能和力学性能,使其能制造成可穿戴的扬声器和麦克风,并且还具有优异的人声识别功能。这项成果于8 月3 日发表在Science Advances 上。


薄如蝉翼的秘密


该文章的通讯作者,Hyunhyub Ko 和他的研究团队选择了杂化纳米薄膜作为制备目标。不同于单纯的聚合物纳米薄膜,杂化纳米薄膜的电学和力学性质可由薄膜内的填充物调节。常用的填充物有金属纳米颗粒、纳米线、纳米碳管、石墨烯等。金属纳米线/聚合物的薄膜组合能让纳米薄膜的韧性更好,同时兼具聚合物薄膜柔软、透明、轻便的优点。



可穿戴纳米薄膜器图片来源: 论文可穿戴纳米薄膜器图片来源: 论文


在电学方面,为了获得良好的导电性,Hyunhyub Ko 等人选择了银纳米线。他们首先利用基于溶液的棒涂组装技术(bar-coating assembly technique)将正交式的银纳米线阵列在衬底上制备出来,然后再将一种生物相容性好、化学性质稳定的聚合物(Parylene C)用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)的方式转移到银纳米线阵列上,最后将制备好的杂化薄膜从基底上剥离,便得到了纳米级厚度的杂化薄膜。


银纳米线呈交叉排列的网络状结构,因此非但没有破坏薄膜的透明性,还提高了薄膜的韧性。Hyunhyub Ko 说:“我们的研究最大的突破就是制备出了这种超薄、透明又能导电的杂化纳米薄膜。薄膜的厚度只有不到100 纳米。它优异的光学、电学和力学特性,使这种薄膜能够进一步制成贴在的皮肤上的扬声器和麦克风。”


杂化纳米薄膜的制备过程图片来源:论文,Science Advances杂化纳米薄膜的制备过程图片来源:论文,Science Advances



小身量,大用途


别小看这只有不到100 纳米厚度的纳米薄膜,两条导线加身后,它就能变身成为扬声器、麦克风甚至人声识别器。


这种加入了银纳米线的纳米薄膜具有非常低的抗弯刚度,可以很好的贴合起伏不平的3D 表面,比如人类的皮肤,还能随着皮肤弯曲和伸展。贴上后会在皮肤上显出一小块闪闪发亮的地方,给这块“闪闪发亮”的地方施加电流后,薄膜局部温度会发生改变,使薄膜周围空气的产生振荡,当这种振荡以波的形式传播出来,就形成了我们听到的声音。


Hyunhyub Ko 团队中的一位研究人员,用贴在手背上的纳米薄膜,通过热声效应,成功的让皮肤“演奏”了一首帕格尼尼的小提琴协奏曲。


若将该薄膜夹在孔状的弹性薄膜和具有微金字塔状图案的薄膜中间,制成的杂化薄膜器件就能变身透明、可穿戴的麦克风了,它不仅能探测声音,还能识别不同人发出的声音。根据摩擦生电的原理,杂化薄膜器件能探测到声音和声带的振动,并且,通过振动频率的差别将不同的声音区分开来,达到声音识别的目的。



杂化纳米薄膜制成的扬声器(上图),麦克风(左下)和声音识别系统(右下)杂化纳米薄膜制成的扬声器(上图),麦克风(左下)和声音识别系统(右下)


完美才是终极目标


虽然Hyunhyub Ko 团队向我们展示了银纳米线阵列杂化纳米薄膜的多种应用领域。但这块薄薄的器件还有诸多缺点,导致其无法进行商业化生产。


研究人员希望可以先改进薄膜的材料,让它们更适合大规模生产;之后将薄膜的力学性能做进一步的提高,保证薄膜的质量,而不是每次贴薄膜的时候都需要小心翼翼。


除了薄膜自身的缺点外,如何提高制成器件的质量也是一个有待开发的领域。贴上薄膜扬声器,做一个出场自带背景音效的人,这样的愿望已经变得触手可及了。


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