可穿戴和植入性智能設(shè)備的發(fā)展讓人與機(jī)器之間的邊界開始模糊，也讓人們看到了更多人機(jī)協(xié)作的可能性。不過，堅硬的電子元件不僅使用體驗欠佳，更有造成傷害的風(fēng)險。近日，斯坦福大學(xué)華人教授鮑哲南領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊制作出了一種兼顧導(dǎo)電性和延展性高分子材料，相應(yīng)成果發(fā)表在3月10日的《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。這種“柔軟”如人類皮膚的導(dǎo)電材料可用于制造新一代可穿戴電子設(shè)備，如果通過進(jìn)一步的生物相容性檢驗，它還可能應(yīng)用在植入性電子設(shè)備上。

　　近年來，許多表皮電氣器件、植入性傳感器、眼球攝像頭都對材料的延展性提出了要求。這些設(shè)備需要緊密貼合人類不同位置的生物學(xué)弧度，保證在1倍拉伸時依然正常工作。目前，制作這些“柔軟”的設(shè)備主要基于這樣的思路：設(shè)備的一些核心功能部件，比如晶體管、LED、光伏元件，是幾個堅硬的點，但是可以用延展性良好的材料將它們連接起來。因此，尋找在高度拉伸狀態(tài)下依然導(dǎo)電性良好的材料至關(guān)重要。量化來看，連接材料需要在大于1倍拉伸時保持1000S/cm（西門子每厘米，電導(dǎo)率單位）以上的電導(dǎo)性。

　　然而，現(xiàn)有材料往往都難以兼顧導(dǎo)電性和延展性。此前，鮑哲南團(tuán)隊曾將一種高導(dǎo)電性的聚合物PEDOT（（3,4-乙烯二氧噻吩單體的聚合物）和一種高分子化合物PSS（聚苯乙烯磺酸鈉）組合，這種PEDOT：PSS材料導(dǎo)電性極好，但不能禁受5%以上的拉伸。后來，研究者們也曾嘗試在PEDOT：PSS中加入塑化劑來提升延展性，但都導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性被極大地破壞，應(yīng)用價值很低。

　　一種理想的兼顧導(dǎo)電性和延展性的材料應(yīng)該有“軟“有“硬”。“軟”指向材料的活動程度和柔軟性，而“硬”指向材料的晶體化程度和導(dǎo)電性，最好是由“軟”材料形成網(wǎng)狀建構(gòu)網(wǎng)住“硬”材料。當(dāng)達(dá)到玻璃化溫度后，高分子鏈段開始運動，材料隨之“軟”化，彈性增加，導(dǎo)電性也下降。然而，PEDOT和PSS都不具備明顯的玻璃化溫度，因而無法直接用操控溫度的方式來達(dá)到有“軟“有“硬”的效果。

　　在測試了一系列添加劑后，鮑哲南團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)其中三種效果比較理想。它們的共性是：在水中和PEDOT:PSS網(wǎng)絡(luò)中具有高溶解性；富含酸性例子。一方面，這些添加劑能軟化PSS，使PSS化合鏈間形成空間，提高整體延展性；另一方面，它們能破壞PSS和PEDOT之間的靜電作用，使PEDOT在PSS網(wǎng)絡(luò)間富集起來，并保持PEDOT間良好的連通性。

　　加入理想添加劑的PEDOT：PSS材料在1倍拉伸時依然保持高于4100S/cm的導(dǎo)電率。研究者用這種材料連接LED進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)在材料被扭曲、被尖銳物理戳中等極端延展情況下，LED的亮度只有小幅的變化。

　　同時，此前所用的波狀金屬連接體需要更大的空間，而這種新材料的空間利用率要比波狀金屬高5倍。

　　最后，研究團(tuán)隊將材料在9個方向上從0%拉伸到125%，連接的9個晶體管工作表現(xiàn)差距小于10%。這表明材料在各個方向都具有良好的延展性和導(dǎo)電性。

　　總而言之，這種“柔軟”材料導(dǎo)電性和延展性俱佳，完全滿足可穿戴和表皮電子設(shè)備的要求，尤其適合制作曲面電子設(shè)備。此外，這種材料還有被批量打印制作的潛力。據(jù)新華社報道，鮑哲南團(tuán)隊下一步工作是要測試它的生物相容性，以驗證它是否適用于植入性電子設(shè)備。

　　來源：澎湃新聞網(wǎng)