引入“拓撲交聯(lián)”結構導電高分子材料制成可拉伸柔性電極

柔、韌兼具，既像絲綢一樣貼合，又像橡膠一樣可延展，是人們對于柔性電子設備無止境的追求?？萍既請笥浾?月30日從天津大學獲悉，該校胡文平教授團隊與美國斯坦福大學鮑哲南教授團隊合作，創(chuàng)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(lián)”結構，使材料的力學和電學性能都大大提升，并用其制成了目前導電性最優(yōu)的可拉伸、可光圖案化的柔性電極。相關成果在線刊發(fā)于國際期刊《科學》上。

讓材料實現(xiàn)導電和柔性雙突破

近年來，因具有優(yōu)異的人體兼容性，柔性電子設備受到了廣泛關注。為了保證設備在運動過程中的穩(wěn)定運行，導電材料需要同時滿足高導電性和高拉伸性兩個要求。高導電性是電子器件的運行基礎，而高拉伸性則保障了電子器件的良好組織貼合度和信號傳輸穩(wěn)定性。

目前，常用的柔性導體多數(shù)基于硬質金屬的力學工程方法改進而得。但當電極通道縮減至微米/納米尺寸時，過硬的金屬材料，其導電率在人體運動導致設備形變的過程中難以保持。因此，獲得如橡膠一般自身可延展的本征態(tài)可拉伸導體材料，是實現(xiàn)柔性精細電極發(fā)展的重要基礎。

因具有良好的本征態(tài)柔性，導電高分子材料PEDOT:PSS（PEDOT是3，4-乙烯二氧噻吩聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸鹽）受到了科學家們的廣泛關注。然而，導電性需要高分子鏈段“整齊排列”，為電信號傳輸搭建“高速公路”；而拉伸性則需要“無序自由”，幫助材料受力時輕松延展。這一分子層面的天然矛盾，使得PEDOT:PSS的力學和電學綜合性能始終難以突破?！氨M管關于可拉伸PEDOT:PSS的研究不勝枚舉，但目前仍無法同時實現(xiàn)良好的本征可拉伸性和優(yōu)異的導電率，并且PEDOT:PSS還無法用于高精度可拉伸器件的制備。”該論文通訊作者之一、天津大學副教授王以軒說。

在這項工作中，團隊創(chuàng)造性地在PEDOT:PSS中引入第二重“拓撲交聯(lián)”結構，選擇了具有較高構象自由度的“機械互鎖”結構，通過分子/鏈段幾何形態(tài)的變化賦予了材料本征可拉伸性，并通過后處理工藝進一步提升電導率，最終實現(xiàn)材料力學與電學性能的雙突破。此外，借由第二重網(wǎng)絡的側鏈修飾，該材料還可在紫外光照射下發(fā)生交聯(lián)固化，使用水作為顯影劑，可方便、綠色地實現(xiàn)光圖案化。

未來在各領域應用前景廣闊

目前，光刻仍是微納器件加工的主流技術，該材料的這一特性使其在精密電子元件制造中應用前景廣闊。“與之前報道的方法不同，我們這次在用一個導電高分子制作薄膜時，加入了另一個導電高分子作為摻雜劑，由于事先對摻雜劑的拓撲結構和化學結構進行了合理設計，得到的薄膜的導電率提高了2個數(shù)量級，并且用現(xiàn)有的直接光固化工藝，就可將這些薄膜制備成微米級線寬可拉伸電極陣列?！蓖跻攒幷f。

這一基于分子結構設計實現(xiàn)的材料性能突破，將實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的應用，或給材料化學、生物醫(yī)學工程、柔性光電子等領域帶來深刻的影響。

如在材料化學領域，這種策略可廣泛適用于聚合物材料的設計，特別是當試圖結合力、電、光等性能時，它可能會實現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法達到的獨特效果。

在生物醫(yī)學工程領域，可拉伸電極陣列可對章魚等軟體動物進行精細的肌肉電生理信號監(jiān)測，而傳統(tǒng)的硬質電極器件在相同實驗條件下則無法與章魚等穩(wěn)定接觸，這將為軟體機器人智能制造提供重要數(shù)據(jù)參考；針對柔軟且精細的腦干，可拉伸電極陣列可實現(xiàn)對單神經(jīng)核團的刺激調控，進而以“熱圖”的形式快速且準確地勾勒腦干神經(jīng)核團分布，有助于提升神經(jīng)外科手術精度。此外，可拉伸電極陣列在柔性腦機接口、腦神經(jīng)損傷修復等腦科學研究與臨床轉化中也可發(fā)揮重要作用。

因該研究工作所制備的高分子材料兼具了高導電性、可拉伸性和透明度3種性能，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(fā)光二極管、太陽能電池、光電探測器和場效應晶體管等。