高密度可拉伸電極陣列雙模式運行 柔性電子設備再添新成員

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，該成果在線刊發于國際期刊《科學》上。

近年來，柔性電子設備以其優異的人體兼容性，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，實現如橡膠一般自身可延展的本征態可拉伸導體材料，是柔性精細電極發展的瓶頸。

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良好的本征可拉伸性、優異的導電率，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”新結構

在這項工作中，團隊創造性地在PEDOT:PSS中引入第二重拓撲交聯網絡，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生交聯固化，使用水作為顯影劑，可方便、綠色地實現光圖案化。

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的材料性能突破，使得以前無法實現的應用成為現實。將對材料化學、生物醫學工程、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，它可能會實現傳統方法無法達到的獨特效果。

從生物醫學工程的角度來看，首次實現了以前無法實現的應用。對章魚這一軟體動物實現了精細的肌肉電生理信號監測，而傳統的硬質電極器件在相同實驗條件下則無法穩定接觸，為軟體機器人智能制造提供了重要數據參考;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揮重要作用。

而從柔性光電子的角度來看，該工作所實現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)

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