一、研究背景

在自然界中，非润湿微结构经常会在水下捕获微观空气层。例如，浸没在水中的荷叶会在其分层的微纳米结构表面捕获 10-50 μm 厚的空气层。这就形成了一个明亮的反射水-气界面。最初，接触线被固定在表面微结构的尖端；随着水压的增加，水-空气界面向荷叶表面下垂并压缩空气，从而保持静水压力、毛细管压力和截留空气压力的平衡（图 1a）。压力的进一步增加会使接触线变细。

当水压降低时，这一过程就会逆转。荷叶表面的多尺度微/纳米结构、装饰微/纳米结构的蜡质材料的低表面能以及空气的弹性使得这种可逆性成为可能。换句话说，这种浸没式非润湿微结构自然形成了对压敏的固-液-气接触线，这意味着一种新的压力传感机制。然而，液体分子与纳米级粗糙固体表面之间的粘附会导致液体的钉扎。这种钉扎效应会导致接触线运动滞后，从而导致接触线运动对压力变化的响应不佳。

二、研究成果

要利用截留空气进行电子压力传感，新加坡国立大学(NUS)的研究人员需要有效地调节接触线的运动，利用双电层（EDL）将压力转换为电容。接触线的移动会改变固液界面的接触面积，从而改变 EDL 产生的界面电容。他们揭示了推进角与传感阈值之间的相关性，以及接触角滞后与传感滞后之间的相关性。这表明，通过对结构设计和表面化学性质的精细控制，可以优化压力传感。

他们的方法与传统的固态压力传感器截然不同，传统的固态压力传感器主要依靠压阻、压容、压电感和压电等工作机制。这些压力传感器利用固体的弹性变形，如压敏膜、悬臂结构和微结构低杨氏模量材料。这些压力传感器在液体环境中不适用，或性能有限，例如线性度低、滞后性高和灵敏度低。因此，这些传感器不太适合用于水环境或体腔内的生物医学应用。

与这些固态压力传感器相反，他们的策略是利用多尺度结构固-液-液-气多相系统的无钉扎接触线运动来创建一种新型气弹电容式压力传感器，称为 eAir（图 1c）。他们展示的 eAir 是一种微型（约 0.5 mm3）传感器，该传感器使用以猪笼草属猪笼草植物为模型的光滑表面的六边形壁柱阵列微结构。与其他在液体环境中工作的压力传感器相比，这种传感器可以测量液体中微小的压力波动，具有超低滞后（1.34 ± 0.20%）、高灵敏度（79.1 ± 4.3 pF kPa-1）和极高的线性度（R2 = 0.99944 ± 0.00015；非线性度，1.49 ± 0.17%）（图 1d、g）。他们进一步证明，eAir 可以在各种复杂条件下工作，包括湍流、体内生物环境和腹腔镜手术期间的超灵敏压力监测。相关研究工作以“Frictionless multiphasic interface for near-ideal aero-elastic pressure sensing”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。祝贺！

三、图文速递

图1. eAir的概念和设计

图2. 传感性能与微结构界面润湿特性的关系

此外，对于这种空气弹性压力传感器，润湿过程也决定了其传感性能。这主要取决于液体压力、毛细管压力和截留空气压力的平衡。特别是，毛细管压力会受到表面润湿特性的影响。因此，他们利用这种闭孔六方阵列结构（图 2a）进一步研究了润湿特性如何影响压力传感性能。他们设计了四个表面，即表面 I-IV（图 2b-e），通过调整表面粗糙度和表面能，使其具有不同的前进和后退接触角。不同处理表面的前进角和接触角滞后的差异是由于接触线被不同程度的表面粗糙度钉扎。在聚苯胺（PAni）纳米线的诱导下，表面 III 和 IV 的高粗糙度显著增强了接触线的钉扎作用（图 2f）。随着表面粗糙度降低到纳米级（表面 II），前进角和接触角滞后也相应减小（图 2f）。涂抹硅油后，表面 I 变得分子光滑和超滑，类似于注入液体的多孔滑面（SLIPS）。这大大降低了接触线的针扎现象，从而使前进角变小，接触角滞后现象可以忽略不计（图 2f）。

他们观察到界面润湿特性对传感性能的明显趋势：前进角越大，正向阈值越高（图 2g）；接触角滞后越大，器件的后向阈值和滞后越高（图 2h，i）。

图3. 润湿过程及其与接触角和接触面积的关系（θrec > 90°）

图4. 通过六边形壁和柱阵列结构的协同作用优化性能，实现可忽略的阈值、低滞后和高线性

为了克服这种阈值效应，同时实现高线性度，上述研究促使他们采用六角形壁柱阵列结构来取代单独的六边形室（图 4a）。这种具有超滑表面 I 的新结构实现了接近零阈值、无磁滞和高线性度的压力传感性能（图 4b）。共聚焦显微镜图像显示了这种装置在不同压力下的水下润湿过程（图 4c）。重合度较高的循环读数表明该装置在不同压力范围内具有出色的性能一致性（图 4d）。

与商用体内压力传感器相比，eAir 设备能以极高的信噪比（SNR）测量微小压力（图 4e）。即使使用惠斯通电桥来降低噪音，商用传感器的信噪比仍然较低。这种无阈值特性还能响应微小的动态压力变化，如频率高达 1 kHz 的水下声波振动（图 4f）。

在稳定性方面，他们的 eAir 设备在 0-5 kPa 的 1000 次加载-卸载循环中的变化极小，仅为 1.01%（图 4g）。值得注意的是，即使在雷诺数为 6 400 的高湍流液体环境中，eAir 也能稳定运行（图 4h）。

图5. eAir在无线ICP监测和腹腔镜工具中的应用

四、结论与展望

总之，他们在此报告了一种仿生气动弹性压力传感器 eAir，它不同于传统的固态压力传感器，实现了接近理想的传感性能。他们采用多尺度结构电极和消除纳米级表面钉扎的策略，创造了一种无膜压力传感器设计。这种方法实现了极高的线性传感，同时在液体环境中具有超低滞后和高灵敏度。他们进一步阐明了此类传感器的设计规则。他们展示了用于监测 ICP 的无线植入式设备和用于反馈腹腔镜手术中抓握力的传感手术抓握器，并以此作为用例。他们预计，他们提出的在不同液体和环境压力下进行压力传感的策略可广泛应用于需要超高精度和灵敏度的压力监测应用。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01628-8