高分子柔性体中间层策略，实现像人体组织一样柔软的可拉伸电子器件

2023-08-07 10:54 来源：X-MOL资讯点击：115

　　通常情况下，可拉伸电子材料的杨氏模量远高于柔软的弹性体或者生物组织（图1a），因此在拉伸条件下，功能层的裂纹传播更容易发生（图1b）。然而，通过在电子材料和柔软基底之间插入柔性中间层的设计，可以有效减少裂纹传播，从而提高功能层的拉伸性能（图1c）。近日，芝加哥大学王思泓教授团队报道了一种基于高分子柔性体中间层的设计策略，巧妙地将水凝胶基底与高分子导体、高分子半导体等材料结合，从而构建了一系列超柔软的有机电子器件。通过这种特殊设计，该团队展示了模量低于10 kPa的可拉伸场效应晶体管阵列，其柔软度比已报道的可拉伸晶体管器件低了两个数量级（图1d-f）。

　　柔软组织与电子材料间模量差异以及超柔软器件的实现方法

　　通过有限元分析，由于柔性中间层的存在，功能层将与中间层直接接触，借此层间模量差异将被降低，从而减少模量差导致的裂纹传播。此外，根据不同的中间层厚度以及不同粘附状况的分析，柔性中间层的设计得到了进一步的优化（图2a-d）。在针对可拉伸有机半导体的实验中，厚度仅为1微米的中间层就能够将有机半导体的拉伸性能极大地提升（图2e-h）。

　　针对柔性中间层的有限元分析以及不同中间层设计对功能层中裂纹传播的影响

　　实验表明，即使用超软水凝胶作为器件基底，柔性中间层的存在使得可拉伸晶体管器件仍保有较好的电学特征及拉伸性（图3a-d）。利用预先设计好的中间层图案，由水凝胶支撑的可拉伸晶体管阵列的模量得到了进一步的降低至5.2 kPa （图3e-h）。

　　超低模量晶体管的电学性能表征以及超低模量晶体管阵列的表征

　　由于器件的超低模量特性，这种超软有源器件在适应不规则表面方面表现出更优异的性能，还能极大程度地减少了器件对贴附表面的限制（图4）。此外，基于这种设计的超柔软器件在体内生物相容性测试中证明了抑制长期植入的免疫排斥反应（图5a-d），并且在对孤立心脏进行电生理记录实验中表现出了更加优越的稳定性以及减少对跳动小鼠心脏的干预（图5e-h）。

　　超低模量器件的对柔软表面的贴附性能的研究

　　超低模量器件的生物相容性测试

　　这一创新对于未来柔性电子学领域具有重要意义，为开发更灵活、适应性更强的电子设备提供了新的思路。该研究论文发表在了《自然•通讯》（Nature Communications ）上，第一作者为芝加哥大学博士生李阳。随着该团队的研究不断深入，相信这些超柔软有机电子器件将在生物医学、可穿戴技术和智能皮肤等领域发挥出更多潜力，为人们的日常生活带来更多便利与创新。