可以附着在人体上且无需电池的可穿戴设备在医疗保健领域引起了人们的关注，需要重量轻、形状高度灵活、高度可拉伸和柔韧的材料。基于无机固体或聚合物膜的传统驻极体元件难以满足上述要求，因此需要开发具有允许其自由变形的流动性并具有高保留电荷（静电）能力的驻极体材料。
NIMS Nakanishi 等人一直致力于开发一种室温液体材料（图2），其中通过用大体积且高度灵活的支化烷基链覆盖和保护π-共轭染料单元来隔离和稳定染料单元。通过这项研究获得的关于烷基化染料液体的分子结构、液体物理性质和光电物理性质之间的相关性的知识将为有机电子领域的应用开发提供有价值的提示。换句话说，在熔融状态下注入到由大的烷基链隔离的染料单元中的电荷很可能被稳定地保留，使其成为上述可穿戴设备的驻极体材料的理想选择。
在这项研究中，NIMS 的 Nakanishi 等人的研究团队利用卟啉作为保留电荷的色素单元，合成了一种独特设计的“液体卟啉”，日本国立先进工业技术研究所的 Yoshida 等人的研究团队制造了一种“可拉伸的液体驻极体器件”并评估了其性能。
液体卟啉的分子结构的特点是共有八个支化烷基链通过苯基取代基化学键合到卟啉骨架的外部（图3a）。该分子是一种非挥发性液体，室温下粘度约为18 Pa·s。这种高压下的卟啉液体电晕电荷（注3）处理完成。首先，将带电的液体卟啉放置在导电ITO玻璃基板上，并将ITO基板通过间隔物彼此面对放置并密封，从而形成类似于一般驻极体元件的结构，并检查其作为液体驻极体的有效性（图3b）。由于用手指施加压力时会获得电压输出，因此我们确认了其作为压力/振动传感器的适用性。此外，当施加交流电压（±100V，1kHz）时，我们能够确认200Hz调制振荡（声音），确认其作为声波致动器的适用性。振动→电压和电压→振动之间的关系与麦克风和扬声器的工作原理相同，而这些元件实际上都配备了固体驻极体材料。这一结果标志着世界上首次展示“液体驻极体”。
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| 图3。a) 液体卟啉的分子结构和模型结构，b) 通过在ITO 基板之间密封带电液体卟啉而制造的驻极体器件。 （顶部）压力/振动传感器，（底部）振动/执行器。 |
接下来，我们开发了一种利用液体的流动性和自由变形特性的驻极体元件。我们开发了一种可拉伸液体驻极体装置，方法是直接用带电晕电荷的液体卟啉浸渍可拉伸织物，并将其夹在聚氨酯薄膜上印有镀银纤维图案的可拉伸电极之间进行密封（图 4）。当用手指按压元件表面时，获得±100至200mV的电压输出。
此外，这些液体驻极体元件已经稳定运行了至少一个半月。
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| 图4由浸有液体驻极体（带电/液体卟啉）的可拉伸织物和带有电极图案的聚氨酯基材构成的可拉伸液体驻极体元件的构造，以及振动（压力）发电的状态。 |
这次，通过能够在液化支链烷基链中隔离的卟啉部分中稳定地保留电荷（静电），我们能够使用独特且极其简单的加工技术开发出可拉伸驻极体发电元件，该技术允许布聚氨酯镀银纤维电极直接浸渍液体驻极体。
这种液体驻极体元件可以膨胀、收缩、弯曲并适应各种形状变形，因此有望用于医疗应用，例如无电池脉搏波/心率传感器、肌电/运动传感器等。此外，通过利用施加电压时变形的能力，我们可以期待应用于触觉设备。
标题：以软发色团为特征的液体卟啉及其在液体驻极体应用中的利用
作者：Gosh Abhijit（NIMS 前沿分子组）、Manabu Yoshida（AIST）、Koji Suemori（AIST）、Hiroaki Sunagane（NIMS 先进低维纳米材料 G）、Nagao Kobayashi（信州大学）、Yasuhisa Mizutani（大阪大学）、Yuki Kurashige（京都大学）、Kawamura Izuru（横滨国立大学）、Mami Yusui（东京大学）、Osamu Yamamuro（东京大学）、Tomohisa Takaya（学习院大学）、Koichi Iwata（学习院大学）、Akinori Saeki（大阪大学）、Kazuhiko Nagura、Shinsuke Ishihara、Hisashi Nakanishi*（NIMS前沿分子小组）
杂志：自然通讯
发布日期和时间：2019 年 9 月 30 日英国时间 10:00（日本时间 2019 年 9 月 30 日 18:00）