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柔、韌兼具，既像絲綢一樣貼合，又像橡膠一樣可展，是人們對于柔性電子設(shè)備無止境的追求。斯坦福大學(xué)鮑哲南教授團隊與天津大學(xué)胡文平教授團隊合作，創(chuàng)造性地在目前廣泛使用的導(dǎo)電高分子材料中，引入第二重拓撲交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使其材料力學(xué)和電學(xué)性能都大大提升，得到了目前導(dǎo)電性最優(yōu)的可拉伸、可光圖案化的柔性電極。3月25日，該成果在線刊發(fā)于國際期刊《科學(xué)》上。

近年來，柔性電子設(shè)備以其優(yōu)異的人體兼容性，受到了廣泛關(guān)注。為了保證設(shè)備在運動過程中的穩(wěn)定運行，導(dǎo)電材料需要同時滿足高導(dǎo)電性和高拉伸性。高導(dǎo)電性是電子器件的運行基礎(chǔ)，而柔性及高拉伸性則保障了良好的組織貼合度，以及由人體運動導(dǎo)致的設(shè)備形變過程中的信號傳輸穩(wěn)定性與信號采集信噪比。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)微納加工后仍可保持良好的力電性能，是柔性電子器件精密化的前提。

目前，常用的柔性導(dǎo)體多數(shù)基于硬質(zhì)金屬的力學(xué)工程方法改進所得。然而，當(dāng)電極通道縮減至微米/納米尺寸時，“過硬”的金屬材料在形變過程中的導(dǎo)電率難以保持。因此，實現(xiàn)如橡膠一般自身可延展的本征態(tài)可拉伸導(dǎo)體材料，是柔性精細電極發(fā)展的瓶頸。

基于拓撲超分子網(wǎng)絡(luò)的可拉伸 PEDOT:PSS 示意圖。

針對這一問題，具有更好本征態(tài)柔性的導(dǎo)電高分子材料(如PEDOT:PSS)，得到了廣泛應(yīng)用。然而，導(dǎo)電性需要高分子鏈段“整齊排列”，為電信號傳輸搭建“高速公路”;而拉伸性則需要“無序自由”，幫助材料受力時輕松延展。這一分子層面的天然矛盾，使得導(dǎo)電高分子材料的力電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，目前仍無法同時實現(xiàn)良好的本征可拉伸性、優(yōu)異的導(dǎo)電率，并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。

為導(dǎo)電高分子材料引入“拓撲交聯(lián)”新結(jié)構(gòu)

在這項工作中，團隊創(chuàng)造性地在PEDOT:PSS中引入第二重拓撲交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，選擇了具有較高構(gòu)象自由度的“機械互鎖”結(jié)構(gòu)，通過分子/鏈段幾何形態(tài)的變化賦予了材料本征可拉伸性，并通過后處理工藝進一步提升電導(dǎo)率，最終實現(xiàn)材料力學(xué)—電學(xué)綜合性能突破。此外，借由第二重網(wǎng)絡(luò)的側(cè)鏈修飾，該材料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、綠色地實現(xiàn)光圖案化。

目前，光刻仍是微納器件加工的主流技術(shù)，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。“經(jīng)過合理設(shè)計摻雜劑的拓撲結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，得到的薄膜導(dǎo)電率相比于之前報道的策略提高了2個數(shù)量級，并且通過直接光固化工藝可制備微米級線寬可拉伸電極陣列。”王以軒說。

這一基于分子結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的材料性能突破，使得以前無法實現(xiàn)的應(yīng)用成為現(xiàn)實。將對材料化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、柔性光電子等帶來深刻的影響。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，特別是當(dāng)試圖結(jié)合力、電、光等多種競爭性性能時，它可能會實現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法達到的獨特效果。

從生物醫(yī)學(xué)工程的角度來看，首次實現(xiàn)了以前無法實現(xiàn)的應(yīng)用。對章魚這一軟體動物實現(xiàn)了精細的肌肉電生理信號監(jiān)測，而傳統(tǒng)的硬質(zhì)電極器件在相同實驗條件下則無法穩(wěn)定接觸，為軟體機器人智能制造提供了重要數(shù)據(jù)參考;針對柔軟且精細的器官-腦干，通過可拉伸陣列電極，實現(xiàn)單神經(jīng)核團級別刺激調(diào)控，進而以“熱圖”的形式快速且準(zhǔn)確地勾勒腦干神經(jīng)核團分布，有助于提升神經(jīng)外科手術(shù)精度。此外，該技術(shù)在柔性腦機接口、腦神經(jīng)損傷修復(fù)等腦科學(xué)研究與臨床轉(zhuǎn)化中可發(fā)揮重要作用。

而從柔性光電子的角度來看，該工作所實現(xiàn)的導(dǎo)電高分子的高導(dǎo)電性、可拉伸性和透明度的結(jié)合，可比作一種可拉伸的銦錫氧化物(ITO)。團隊預(yù)計，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、太陽能電池、光電探測器和場效應(yīng)晶體管等。(科技日報記者 陳曦 通訊員 劉曉艷)