柔、韌兼具，既像絲綢一樣貼合，又像橡膠一樣可延展，是人們對(duì)于柔性電子設(shè)備無(wú)止境的追求?？萍既?qǐng)?bào)記者3月30日從天津大學(xué)獲悉，該校胡文平教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)合作，創(chuàng)造性地在目前廣泛使用的導(dǎo)電高分子材料中，引入第二重“拓?fù)浣宦?lián)”結(jié)構(gòu)，使材料的力學(xué)和電學(xué)性能都大大提升，并用其制成了目前導(dǎo)電性最優(yōu)的可拉伸、可光圖案化的柔性電極。相關(guān)成果在線刊發(fā)于國(guó)際期刊《科學(xué)》上。

讓材料實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和柔性雙突破

近年來(lái)，因具有優(yōu)異的人體兼容性，柔性電子設(shè)備受到了廣泛關(guān)注。為了保證設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)電材料需要同時(shí)滿足高導(dǎo)電性和高拉伸性兩個(gè)要求。高導(dǎo)電性是電子器件的運(yùn)行基礎(chǔ)，而高拉伸性則保障了電子器件的良好組織貼合度和信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。

目前，常用的柔性導(dǎo)體多數(shù)基于硬質(zhì)金屬的力學(xué)工程方法改進(jìn)而得。但當(dāng)電極通道縮減至微米/納米尺寸時(shí)，過(guò)硬的金屬材料，其導(dǎo)電率在人體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備形變的過(guò)程中難以保持。因此，獲得如橡膠一般自身可延展的本征態(tài)可拉伸導(dǎo)體材料，是實(shí)現(xiàn)柔性精細(xì)電極發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

因具有良好的本征態(tài)柔性，導(dǎo)電高分子材料PEDOT:PSS(PEDOT是3，4-乙烯二氧噻吩聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸鹽)受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。然而，導(dǎo)電性需要高分子鏈段“整齊排列”，為電信號(hào)傳輸搭建“高速公路”;而拉伸性則需要“無(wú)序自由”，幫助材料受力時(shí)輕松延展。這一分子層面的天然矛盾，使得PEDOT:PSS的力學(xué)和電學(xué)綜合性能始終難以突破。“盡管關(guān)于可拉伸PEDOT:PSS的研究不勝枚舉，但目前仍無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的本征可拉伸性和優(yōu)異的導(dǎo)電率，并且PEDOT:PSS還無(wú)法用于高精度可拉伸器件的制備。”該論文通訊作者之一、天津大學(xué)副教授王以軒說(shuō)。

在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地在PEDOT:PSS中引入第二重“拓?fù)浣宦?lián)”結(jié)構(gòu)，選擇了具有較高構(gòu)象自由度的“機(jī)械互鎖”結(jié)構(gòu)，通過(guò)分子/鏈段幾何形態(tài)的變化賦予了材料本征可拉伸性，并通過(guò)后處理工藝進(jìn)一步提升電導(dǎo)率，最終實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)與電學(xué)性能的雙突破。此外，借由第二重網(wǎng)絡(luò)的側(cè)鏈修飾，該材料還可在紫外光照射下發(fā)生交聯(lián)固化，使用水作為顯影劑，可方便、綠色地實(shí)現(xiàn)光圖案化。

未來(lái)在各領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊

目前，光刻仍是微納器件加工的主流技術(shù)，該材料的這一特性使其在精密電子元件制造中應(yīng)用前景廣闊。“與之前報(bào)道的方法不同，我們這次在用一個(gè)導(dǎo)電高分子制作薄膜時(shí)，加入了另一個(gè)導(dǎo)電高分子作為摻雜劑，由于事先對(duì)摻雜劑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，得到的薄膜的導(dǎo)電率提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)，并且用現(xiàn)有的直接光固化工藝，就可將這些薄膜制備成微米級(jí)線寬可拉伸電極陣列。”王以軒說(shuō)。

這一基于分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的材料性能突破，將實(shí)現(xiàn)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，或給材料化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、柔性光電子等領(lǐng)域帶來(lái)深刻的影響。

如在材料化學(xué)領(lǐng)域，這種策略可廣泛適用于聚合物材料的設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)試圖結(jié)合力、電、光等性能時(shí)，它可能會(huì)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無(wú)法達(dá)到的獨(dú)特效果。

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，可拉伸電極陣列可對(duì)章魚(yú)等軟體動(dòng)物進(jìn)行精細(xì)的肌肉電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，而傳統(tǒng)的硬質(zhì)電極器件在相同實(shí)驗(yàn)條件下則無(wú)法與章魚(yú)等穩(wěn)定接觸，這將為軟體機(jī)器人智能制造提供重要數(shù)據(jù)參考;針對(duì)柔軟且精細(xì)的腦干，可拉伸電極陣列可實(shí)現(xiàn)對(duì)單神經(jīng)核團(tuán)的刺激調(diào)控，進(jìn)而以“熱圖”的形式快速且準(zhǔn)確地勾勒腦干神經(jīng)核團(tuán)分布，有助于提升神經(jīng)外科手術(shù)精度。此外，可拉伸電極陣列在柔性腦機(jī)接口、腦神經(jīng)損傷修復(fù)等腦科學(xué)研究與臨床轉(zhuǎn)化中也可發(fā)揮重要作用。

因該研究工作所制備的高分子材料，兼具了高導(dǎo)電性、可拉伸性和透明度3種性能，團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這種可拉伸透明導(dǎo)體將使許多可伸縮電路及相關(guān)應(yīng)用成為可能，如發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。

關(guān)鍵詞： 引入第二重“ 拓?fù)浣宦?lián)結(jié)構(gòu) 導(dǎo)電高分子材料 可拉伸柔性電極