新成果讓柔性電子設備兼具“柔”與“韌”

柔、韌兼具，既像絲綢一樣貼合，又像橡膠一樣可展，這是人們對于柔性電子設備無止境的追求。日前，天津大學教授胡文平團隊與斯坦福大學教授鮑哲南團隊合作，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。

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電極陣列。

3月25日，該成果以《基于超分子拓撲網絡的高導可拉伸有機生物電子》為題在線刊發于《科學》雜志，斯坦福大學鮑哲南教授、天津大學王以軒副教授為共同通訊作者。

近年來，柔性電子設備由于其優異的人體兼容性，受到了大量的關注。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和高信噪比。在此基礎上，如何在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，同時也是多數柔性導體材料的瓶頸。

針對這一問題，導電高分子材料（如PEDOT:PSS）得到了廣泛應用。然而，由于載流子傳輸需求（高規整度鏈段排列）與柔性需求（高鏈段自由度）難以兼顧，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。

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”幾何結構，賦予了材料本征可拉伸性，并進一步優化導電性和光圖案化性能，最終實現材料力學—電學綜合性能突破。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電極陣列。

基于拓撲超分子網絡的可拉伸 PEDOT:PSS 示意圖 天津大學供圖

據介紹，這一性能將有可能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。比如在材料化學領域，這種設計策略可廣泛適用于聚合物材料的設計，特別是當試圖結合多種競爭性性能時，它可能會實現傳統方法無法達到的獨特性能。

從生物醫學工程角度來看，首次實現了以前無法實現的應用，包括對柔軟生物體高分辨率的電生理監測、通過腦干局部神經調節來精確控制單個肌肉運動。以上多模態生物界面創新性應用，可擴展到人造軟體機器人、柔性腦機接口、腦外科手術術中持續檢測等多個領域。

圖案化電極與皮膚貼合展示 天津大學供圖

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。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。