本文转自:科技日报

柔、韧兼具,既像丝绸一样贴合,又像橡胶一样可延展,是人们对于柔性电子设备无止境的追求。科技日报记者3月30日从天津大学获悉,该校胡文平教授团队与美国斯坦福大学鲍哲南教授团队合作,创造性地在目前广泛使用的导电高分子材料中,引入第二重“拓扑交联”结构,使材料的力学和电学性能都大大提升,并用其制成了目前导电性最优的可拉伸、可光图案化的柔性电极。相关成果在线刊发于国际期刊《科学》上。

让材料实现导电和柔性双突破

近年来,因具有优异的人体兼容性,柔性电子设备受到了广泛关注。为了保证设备在运动过程中的稳定运行,导电材料需要同时满足高导电性和高拉伸性两个要求。高导电性是电子器件的运行基础,而高拉伸性则保障了电子器件的良好组织贴合度和信号传输稳定性。

目前,常用的柔性导体多数基于硬质金属的力学工程方法改进而得。但当电极通道缩减至微米/纳米尺寸时,过硬的金属材料,其导电率在人体运动导致设备形变的过程中难以保持。因此,获得如橡胶一般自身可延展的本征态可拉伸导体材料,是实现柔性精细电极发展的重要基础。

因具有良好的本征态柔性,导电高分子材料PEDOT:PSS(PEDOT是3,4-乙烯二氧噻吩聚合物,PSS是聚苯乙烯磺酸盐)受到了科学家们的广泛关注。然而,导电性需要高分子链段“整齐排列”,为电信号传输搭建“高速公路”;而拉伸性则需要“无序自由”,帮助材料受力时轻松延展。这一分子层面的天然矛盾,使得PEDOT:PSS的力学和电学综合性能始终难以突破。“尽管关于可拉伸PEDOT:PSS的研究不胜枚举,但目前仍无法同时实现良好的本征可拉伸性和优异的导电率,并且PEDOT:PSS还无法用于高精度可拉伸器件的制备。”该论文通讯作者之一、天津大学副教授王以轩说。

在这项工作中,团队创造性地在PEDOT:PSS中引入第二重“拓扑交联”结构,选择了具有较高构象自由度的“机械互锁”结构,通过分子/链段几何形态的变化赋予了材料本征可拉伸性,并通过后处理工艺进一步提升电导率,最终实现材料力学与电学性能的双突破。此外,借由第二重网络的侧链修饰,该材料还可在紫外光照射下发生交联固化,使用水作为显影剂,可方便、绿色地实现光图案化。

未来在各领域应用前景广阔

目前,光刻仍是微纳器件加工的主流技术,该材料的这一特性使其在精密电子元件制造中应用前景广阔。“与之前报道的方法不同,我们这次在用一个导电高分子制作薄膜时,加入了另一个导电高分子作为掺杂剂,由于事先对掺杂剂的拓扑结构和化学结构进行了合理设计,得到的薄膜的导电率提高了2个数量级,并且用现有的直接光固化工艺,就可将这些薄膜制备成微米级线宽可拉伸电极阵列。”王以轩说。

这一基于分子结构设计实现的材料性能突破,将实现以前无法实现的应用,或给材料化学、生物医学工程、柔性光电子等领域带来深刻的影响。

如在材料化学领域,这种策略可广泛适用于聚合物材料的设计,特别是当试图结合力、电、光等性能时,它可能会实现传统方法无法达到的独特效果。

在生物医学工程领域,可拉伸电极阵列可对章鱼等软体动物进行精细的肌肉电生理信号监测,而传统的硬质电极器件在相同实验条件下则无法与章鱼等稳定接触,这将为软体机器人智能制造提供重要数据参考;针对柔软且精细的脑干,可拉伸电极阵列可实现对单神经核团的刺激调控,进而以“热图”的形式快速且准确地勾勒脑干神经核团分布,有助于提升神经外科手术精度。此外,可拉伸电极阵列在柔性脑机接口、脑神经损伤修复等脑科学研究与临床转化中也可发挥重要作用。

因该研究工作所制备的高分子材料,兼具了高导电性、可拉伸性和透明度3种性能,团队预计,这种可拉伸透明导体将使许多可伸缩电路及相关应用成为可能,如发光二极管、太阳能电池、光电探测器和场效应晶体管等。