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  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(shè)備無止境的追求。天津大學(xué)胡文平教授團(tuán)隊(duì)與斯坦福大學(xué)鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)合作創(chuàng)造性地在目前廣泛使用的導(dǎo)電高分子材料（PEDOT:PSS）中引入第二重拓?fù)浣宦?lián)網(wǎng)絡(luò)，使其材料力學(xué)和電學(xué)性能都大大提升，得到了目前導(dǎo)電性最優(yōu)的可拉伸、可光圖案化的柔性電極。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)摻雜劑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，得到的薄膜導(dǎo)電率相比于之前報(bào)道的策略提高了2個(gè)數(shù)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日凌晨，該成果以《基于超分子拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的高導(dǎo)可拉伸有機(jī)生物電子》為題在線刊發(fā)于《科學(xué)》雜志，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、天津大學(xué)王以軒副教授為共同通訊作者。

  近年來，柔性電子設(shè)備由于其優(yōu)異的人體兼容性，受到了大量的關(guān)注。為了保證設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)電材料需要同時(shí)滿足高導(dǎo)電性和高拉伸性。高導(dǎo)電性是電子器件的運(yùn)行基礎(chǔ)，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(chǔ)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(shí)也是多數(shù)柔性導(dǎo)體材料的瓶頸。

  針對這一問題，導(dǎo)電高分子材料（如PEDOT:PSS）得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于載流子傳輸需求（高規(guī)整度鏈段排列）與柔性需求（高鏈段自由度）難以兼顧，導(dǎo)電高分子材料的力電綜合性能始終難以突破。盡管關(guān)于可拉伸 PEDOT:PSS 的研究不勝枚舉，目前仍無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的本征可拉伸性、優(yōu)異的導(dǎo)電率，并用于高精度可拉伸器件的制備。

圖1 高密度可拉伸電極陣列雙模式運(yùn)行示意圖

  在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地在PEDOT:PSS中引入第二重拓?fù)浣宦?lián)網(wǎng)絡(luò)，選擇了具有較高構(gòu)象自由度的“機(jī)械互鎖”幾何結(jié)構(gòu)，賦予了材料本征可拉伸性，并進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)電性和光圖案化性能，最終實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)—電學(xué)綜合性能突破。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)摻雜劑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，得到的薄膜導(dǎo)電率相比于之前報(bào)道的策略提高了2個(gè)數(shù)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。

圖2 基于拓?fù)涑肿泳W(wǎng)絡(luò)的可拉伸 PEDOT:PSS 示意圖

圖3 圖案化電極與皮膚貼合展示

圖4 可拉伸電極陣列與軟體動(dòng)物（章魚）貼合展示

  這一前所未有的性能使得以前無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。將對材料化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、柔性光電子等帶來深刻的影響。

  如在材料化學(xué)領(lǐng)域，這種設(shè)計(jì)策略可廣泛適用于聚合物材料的設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)試圖結(jié)合多種競爭性性能時(shí)，它可能會(huì)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法達(dá)到的獨(dú)特性能。

  從生物醫(yī)學(xué)工程的角度來看，首次實(shí)現(xiàn)了以前無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，包括對柔軟生物體高分辨率的電生理監(jiān)測、通過腦干局部神經(jīng)調(diào)節(jié)來精確控制單個(gè)肌肉運(yùn)動(dòng)。以上多模態(tài)生物界面創(chuàng)新性應(yīng)用，可擴(kuò)展到人造軟體機(jī)器人、柔性腦機(jī)接口、腦外科手術(shù)術(shù)中持續(xù)檢測等多個(gè)領(lǐng)域。 

  而從柔性光電子的角度來看，該工作所實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)電高分子的高導(dǎo)電性、可拉伸性和透明度的結(jié)合，可比作一種可拉伸的銦錫氧化物(ITO)。團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，這種可拉伸透明導(dǎo)體將使許多可伸縮電路及相關(guān)應(yīng)用成為可能，如發(fā)光二極管、太陽能電池、光電探測器和場效應(yīng)晶體管等。

  文章信息：

  第一作者：Yuanwen Jiang, Zhitao Zhang, Yi-Xuan Wang, Deling Li

  通訊作者：Zhenan Bao, Yi-Xuan Wang

  通訊單位：斯坦福大學(xué)，天津大學(xué)

  https://doi.org/10.1126/science.abj7564