物理所制備出基于單壁碳納米管薄膜的透明彈性導體

　　過去幾十年，硅基電子學在小型化、高集成度和高速度方面取得了巨大的成功。但是，傳統的電子學器件是基于平面結構的，具有不可彎折、不可拉伸的缺點，這在很大程度上限制了電子器件的應用。近二十年發展起來的柔性電子學和最近剛剛興起的可拉伸電子學為人們帶來了全新的概念，使得電子學器件可以應用在許多對“整合性”要求比較高的領域，比如醫學移植、智能服裝、人工智能、仿生材料等。

　　彈性導體可以被用作可拉伸電子學的連接導線和電極材料，是實現可拉伸電子學器件的關鍵部件。目前，人們獲得彈性導體的方式主要有兩種：一方面，特殊的結構和構型，比如波浪形和蛇形納米線可以使傳統的金屬材料和半導體材料承受一定程度的拉伸應變；另外一方面，許多新材料，比如碳納米管、石墨烯、高聚物等本身就具有可拉伸性能。碳納米管具有獨特的一維特性和優異的力電性能，是制備彈性導體的理想材料。

　　中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究組，多年來一直致力于碳納米管薄膜的制備、物性與應用研究，取得了系列成果（Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano Lett. 2009, 9, 2855; Nanoscale 2011, 3, 3731; Nano Lett. 2011, 11, 4636; Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1440）。最近，在以往工作的基礎上，該研究組解思深院士指導的博士生蔡樂等人，充分利用直接生長的自支撐柔性碳納米管薄膜的高電導率、高力學強度、高透光率特點以及獨特的網狀結構，采用一種無損的聚合物包埋的方法，制備出了一種具有高透光率、高電導率、高彈性伸長量的彈性導體，并從原理上實現了基于這種彈性導體的可拉伸電路。

　　聚合物包埋的方法不需要引入離子液體等分散劑，也無需對碳管進行超聲分散處理，具有簡單易行、環保無損的優點，非常適合直接生長的單壁碳納米管薄膜（Nano. Lett. 2007, 7, 2307）。研究人員制備出的彈性導體集碳納米管薄膜和彈性體聚合物的優點于一身，具有很好的透光性、導電性和可拉伸性能：可見光透光率高達60%，同時面電阻只有幾十歐姆；在受到高達50%的反復拉伸應變時，可以保持良好的、穩定的導電性。他們認為，如此好的可拉伸性能一方面來源于碳納米管獨特的一維特性，另一方面聚合物的引入可以有效地減弱應力集中、保持碳納米管薄膜在電學上的完整性。

　　這種高導電性的透明彈性導體不僅可以作為可拉伸電子學的連接導線，而且可以作為可拉伸的光電子器件和儲能器件的電極材料，在柔性電子學和可拉伸電子學領域具有廣闊的應用前景。

　　相關研究結果發表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201201013)上。

　　該工作得到了國家自然科學基金委、科技部和北京市教委項目的支持。

　　圖1 (a) CNT/PDMS透明彈性導體的制備流程，(b,c,d) CNT/PDMS彈性導體的光學照片，顯示其柔韌性和透明性，(e) CNT/PDMS 彈性導體（圖(d)所示樣品）在400 nm-1000 nm范圍內的透光率。

　　圖2  (a) CNT/PDMS透明彈性導體在反復拉伸應變下的電阻變化（拉伸500次）；(b) (a)圖中矩形框內的放大圖；(c)把CNT/PDMS彈性導體（0應變）作為連接導線接入LED電路；(d)拉伸應變為50%時，LED燈亮度沒有明顯的變化。