以柔美征服世界的“柔性電子”

水鈺

2017年3月10日，美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志介紹了一種新型可拉伸塑料電極，它能夠用于研發(fā)可穿戴電子器件，是在美國斯坦福大學(xué)華人教授鮑哲南的領(lǐng)導(dǎo)下研發(fā)出的新型電子產(chǎn)品。那么，新型可拉伸塑料電極究竟是什么？又有著怎樣的重大意義呢？下面，就讓我們?nèi)ヒ惶骄烤梗?/p>

走近“柔性電子”

一直以來，人類都渴望擁有一款能與身體相融合的電子設(shè)備：安置在心臟內(nèi)，跟隨每次心跳而拉伸，幫助心臟疾病患者重獲健康；輕輕放入眼睛里，像隱形眼鏡一樣取用方便，代替那些體積龐大的生物傳感器。于是，“柔性電子”應(yīng)運(yùn)而生。

這項(xiàng)在柔性或可延性塑料或薄金屬板上制作電子器件的技術(shù)，正是鮑哲南團(tuán)隊(duì)長期以來致力于研究的課題。為了增加材料的韌性和機(jī)械性，研究人員采用一種類似肥皂表面活性劑的分子添加劑，改變了分子之間的作用力；又利用離子相互作用所形成的弱靜電保證了高導(dǎo)電性；再加入增強(qiáng)劑來局部軟化聚合物鏈，從而形成軟結(jié)構(gòu)區(qū)域，使其擁有較高的延伸率（即材料在拉伸斷裂后，總伸長與材料初始長度的百分比）。

這種高伸縮性的導(dǎo)電聚合物正是“柔性電子”，在被拉伸至原先2倍長時(shí)仍可保持極高的導(dǎo)電率，且有效地解決了導(dǎo)電塑料容易碎裂的不足——拉伸超過5%便會(huì)損壞。緊接著，研究人員又提出了疑問：這種材料是否可以植入生物體？會(huì)不會(huì)對(duì)生物體造成損傷呢？

雖然這些疑問還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，但可以肯定的是，一旦確認(rèn)了它的生物相容性，很快將引領(lǐng)表皮電子學(xué)、生物電子學(xué)，以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的革新。我們都知道，電極是電子設(shè)備中不可或缺的組成部件，它們就像人類大腦中的軸突，傳遞著電信號(hào)。一旦電極達(dá)到了近似于皮膚的柔軟程度，它就有可能替代人體的皮膚，甚至是幫助大腦來傳遞神經(jīng)元之間的電脈沖。

可降解的“柔性電子”

不過，人類科技的進(jìn)步往往伴隨著對(duì)環(huán)境的破壞，甚至有些時(shí)候還會(huì)危害我們自身的健康。中國作為世界上最大的電子垃圾場，全球約70%的電子垃圾會(huì)最終流向中國，廢舊的電視、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品及其零部件更是讓廣東汕頭成為了“電子垃圾之都”。

大量的塑料外殼不易降解，燃燒后會(huì)釋放出有害氣體，長期埋于地下又影響農(nóng)作物的生長，隨意丟棄在陸地或水中還可能被動(dòng)物誤食，進(jìn)而威脅到它們的生命；其中的重金屬會(huì)污染水體、大氣，逐漸富集在人體內(nèi)，促使蛋白質(zhì)和酶失去活性；一旦人體內(nèi)重金屬的含量過高，就會(huì)造成重金屬中毒的癥狀（日本的水俁病是世界八大公害事件之一，正是有機(jī)汞污染造成的）；在拆卸電子元件的過程中，各類阻燃劑、溶劑同樣具有毒性，稍不留意就會(huì)誘發(fā)癌癥等人體病變。

基于這些不利因素，鮑哲南團(tuán)隊(duì)不滿足于已研發(fā)的兼具導(dǎo)電性與拉伸性的“柔性電子”，他們使用特殊的化學(xué)方法，將原子間的連接方式變?yōu)榭赡?，并將其連接模式應(yīng)用到柔性可導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)中。于是，研究人員們得到了可以在醋酸、土壤等弱酸環(huán)境中被分解的首種可降解聚合物半導(dǎo)體材料，而其中的金屬僅為不能被人體吸收的金，以及對(duì)人體無害的鐵。然后，他們利用造紙的原料一天然纖維素來制作支撐和保護(hù)電子元件的襯底，最大限度地避免了塑料廢棄物的產(chǎn)生。

其實(shí)，減少電子垃圾污染，我們能做的也有很多：減少電子產(chǎn)品的更換次數(shù)，進(jìn)行電子垃圾的分類回收、循環(huán)利用等。

“柔性時(shí)代”來臨

還記得電影《哈利·波特》中能夠動(dòng)態(tài)顯示的“魔法報(bào)紙”嗎？那正是可以像紙張一樣彎曲和折疊的柔性屏幕。2010年，惠普公司曾在美國舊金山展出一種采用“自對(duì)準(zhǔn)壓印光刻”技術(shù)研發(fā)的全塑料柔性屏幕，利用太陽能供電，輕便耐用，著實(shí)讓人眼前一亮。

韓國LG公司也于2015年在首爾發(fā)布了一款壁紙式OLED顯示板，這塊0.97mm厚、139.7cm長、重1.9kg的面板能在磁鐵吸力的作用下，像壁紙一樣牢牢地貼在墻上。研發(fā)人員認(rèn)為，這款產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠輕而易舉地彎折，你可以方便地把它帶去任何地方。

英國《每日電訊報(bào)》也曾介紹過一種透明、環(huán)保、能發(fā)光的柔性電子紙材料，這是科學(xué)家們將木粉通過簡單的吸濾法（制造真空負(fù)壓來加速過濾），加入鋅和硒制成的小半導(dǎo)體晶體研制出來的納米纖維素。它能夠在室溫下發(fā)光，即使經(jīng)過數(shù)次的卷起、舒展，也不會(huì)出現(xiàn)開裂的情況。

未來，“柔性電子”將助力可穿戴設(shè)備的發(fā)展，憑借其可彎曲、超輕薄、低功耗、高性能等優(yōu)勢，滿足社交娛樂、醫(yī)療健康、軍事工業(yè)等不同領(lǐng)域中各類群體的要求，最終徹底改變?nèi)祟愂澜绲纳罘绞健?/p>

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對(duì)：曹偉）endprint