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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備無止境的追求。斯坦福大學鮑哲南教授團隊與天津大學胡文平教授團隊合作，創(chuàng)造性地在目前廣泛使用的導電高分子材料中，引入第二重拓撲交聯(lián)網絡，使其材料力學和電學性能都大大提升，得到了目前導電性最優(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》上。

近年來，柔性電子設備以其優(yōu)異的人體兼容性，受到了廣泛關注。為了保證設備在運動過程中的穩(wěn)定運行，導電材料需要同時滿足高導電性和高拉伸性。高導電性是電子器件的運行基礎，而柔性及高拉伸性則保障了良好的組織貼合度，以及由人體運動導致的設備形變過程中的信號傳輸穩(wěn)定性與信號采集信噪比。在此基礎上，經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，常用的柔性導體多數(shù)基于硬質金屬的力學工程方法改進所得。然而，當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)可拉伸導體材料，是柔性精細電極發(fā)展的瓶頸。

基于拓撲超分子網絡的可拉伸 PEDOT:PSS 示意圖。

針對這一問題，具有更好本征態(tài)柔性的導電高分子材料(如PEDOT:PSS)，得到了廣泛應用。然而，導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，使得導電高分子材料的力電綜合性能始終難以突破。“盡管關于可拉伸 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、天津大學副教授王以軒說。

為導電高分子材料引入“拓撲交聯(lián)”新結構

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)網絡，選擇了具有較高構象自由度的“機械互鎖”結構，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率，最終實現(xiàn)材料力學—電學綜合性能突破。此外，借由第二重網絡的側鏈修飾，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，材料的這一特性使其在精密電子元件制造中應用前景廣闊。“經過合理設計摻雜劑的拓撲結構和化學結構，得到的薄膜導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。

這一基于分子結構設計實現(xiàn)的材料性能突破，使得以前無法實現(xiàn)的應用成為現(xiàn)實。將對材料化學、生物醫(yī)學工程、柔性光電子等帶來深刻的影響。如在材料化學領域，這種策略可廣泛適用于聚合物材料的設計，特別是當試圖結合力、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)學工程的角度來看，首次實現(xiàn)了以前無法實現(xiàn)的應用。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)單神經核團級別刺激調控，進而以“熱圖”的形式快速且準確地勾勒腦干神經核團分布，有助于提升神經外科手術精度。此外，該技術在柔性腦機接口、腦神經損傷修復等腦科學研究與臨床轉化中可發(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)的導電高分子的高導電性、可拉伸性和透明度的結合，可比作一種可拉伸的銦錫氧化物(ITO)。團隊預計，這種可拉伸透明導體將使許多可伸縮電路及相關應用成為可能，如發(fā)光二極管、太陽能電池、光電探測器和場效應晶體管等。(科技日報記者 陳曦 通訊員 劉曉艷)