近日出版的国际顶级学术期刊Nature发表了西南交通大学材料科学与工程学院2017届博士毕业生张彬彬（现为香港城市大学博士后）为第一作者的文章A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics(Nature628, 84–92 (2024),https://www.nature.com/articles/s41586-024-07161-1)。该工作提出了三维定向汗液输运新技术（三维液体二极管），基于此，开发了一套高透气、透汗的柔性集成电子设备，显著提升了柔性电子在长期服役中的监测精度、稳定性及用户舒适性，为研发临床监护、长期健康监测的可穿戴设备提供了新策略。我校杨维清教授，香港城市大学于欣格副教授、王锋教授、邱美娈助理教授与香港理工大学郑子剑教授、王钻开教授为该文章的共同作者。
Nature同期发表题为“The wearable electronic patch that’s impervious to sweat”的亮点评述对该工作进行高度评价，并在Nature video以题为“No sweat: Moisture-wicking device keeps wearable-tech dry”发布专栏视频，该工作同时也受到《中国科学报》和国家自然科学基金委的专题报道。
柔性电子在健康监测、个性化医疗等领域具有重要应用前景。然而，相对于其力学和电学性能，可穿戴设备的透气性仍不尽如意。较差的透气性导致汗液累积于器件-皮肤界面，不仅造成用户热生理不适，导致皮肤发炎，还会降低器件的信号质量及粘附强度，限制了其长期、精确的生理信号监测能力。维持稳固的器件-皮肤界面，是实现柔性电子长期稳定工作的决定性因素。开发先进的可穿戴电子设备，包括集成功能更加复杂的传感器、电路、封装等结构，实现高集成度、多功能的透气电子，在流体操控和集成工艺等方面仍面临巨大的挑战。
图1基于三维液体二极管的柔性、集成透气电子
该工作中，受自然界生物（猪笼草、仙人掌、蜘蛛丝等）特殊表面上液体自发输运现象的启发，研究人员设计了一种在三维尺度上驱动液体进行自发、定向输运的结构，称为三维液体二极管（3D LD）。通过面内、面外排汗结构的有序集成，3D LD的液体传输速率超过人体正常排汗速率的4000倍。同时，其作为一种通用的透气、透汗衬底材料，可以通过传统加工工艺与高性能柔性电路直接集成，制备兼具高透气性与集成度的可穿戴电子设备。用户实验表明，与商业电极贴片和常用的PDMS基底相比，基于3D LD的电极贴片在舒适性、长期生物相容性、出汗状态下的粘附性和信号质量等方面都具有更优的表现。
基于三维液体二极管技术，团队展示了一种透气、透汗的心电监测贴片，并实现了其在日常活动和运动状态下长达七天的连续心电监测。同时，也将该技术应用于织物集成电子中，设计了一种用于多功能无线环境监测的电子织物。
图2柔性、透气透汗皮肤与织物集成电子设备
论文第一作者：张彬彬
论文第一作者张彬彬2015年于西南交通大学本科毕业，随后加入杨维清教授团队进行硕博连读，期间受国家留学基金委资助，在美国佐治亚理工学院进行了为期两年的联合培养，现为香港城市大学博士后，在于欣格副教授课题组开展可穿戴柔性电子设备研究。共发表论文70余篇，其中，以第一作者（含共同）在Nature, Adv. Mater. (2), Mater. Today, Adv.Energy Mater., Adv.Funct. Mater. (3), ACS Nano (3)等期刊发表论文18篇，ESI高被引论文6篇，引用5000余次，主持四川省苗子工程和西南交通大学优博培育等项目。
