微流控PVDF微球制造新技术，为可穿戴应用提供经济高效的压电器件
据麦姆斯咨询介绍，印度纳米科学技术研究所（INST）微流控研究实验室的研究人员开发了一种液滴微流控技术，可以生产出具有高电活性（EA）相的微球，进而制造面向可穿戴应用的自供电压电传感器，监测各种生理信号。
聚合物微球因其增大的表面积和增强的界面性能而备受关注。然而，现有微球的生产方法存在形状不规则及能耗要求高等缺点。为了解决这些局限性，具有可调谐能力、尺寸和形状控制、高效等优点的微流控技术应运而生。过去几年来，通过微流控技术生产出了聚偏二氟乙烯（PVDF）微球，但其中的高电活性相仍然是一个挑战。
本研究PVDF微球的整体工作及其应用示意图
INST研究人员采用液滴微流控结合片外热聚合技术，合成了可调PVDF微球，以设计高电活性相。所获得的微球表现出均匀性和单分散性，具有较窄的尺寸分布。
研究人员通过微流控装置中油和聚合物溶液的流速设计出微球高电活性相，并进行了广泛的表征，以验证微球的压电响应。
研究小组实现了微球的均匀性和尺寸控制（126~754 µm）。通过调整流速和优化反应温度，电活性相提高了约82%。此外，人工智能（AI）作为重要工具，能够准确预测微球的直径和相位，从而减少了在微流控装置生成液滴之前进行大量实验室优化的需求。这项研究成果已发表于Elsevier的Chemical Engineering Journal期刊。
作为概念验证，研究人员探索了PVDF微球在柔性压电器件领域的应用。这种柔性压电器件通过可穿戴设备可与人体的不同部位（如肘部、膝盖等）无缝贴合。它们能够根据特定的身体运动，以不同的速率承受不同程度的压缩，进而利用身体运动产生的原本全部浪费的能量。事实证明，这种压电器件产生的电响应非常可观，能提供足够的输出电压（约23V）来运行低功耗设备。
这项技术为从人体运动中高效采集能量开辟了新途径，为开发可持续的自供电可穿戴设备铺平了道路。这种方法具有众多优势，包括简单、成本效益高、效率高且可控性强，因此在生物医学领域、自供电器件等方面的应用意义重大。这项研究凸显了微流控、聚合物科学和人工智能的协同潜力，推动了智能材料的新发展。
利用片外热聚合技术在微流控装置中加工PVDF微球的过程示意图
（a）注入染料的微反应器，以提高微通道的可见度；（b）PVDF微球。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151986