引入“拓朴交联”结构 精细电极可拉伸

• 2022-03-28 17:28:32 来源：科技日报

科技日报记者 陈曦 通讯员 刘晓艳

柔、韧兼具，既像丝绸一样贴合，又像橡胶一样可展，是人们对于柔性电子设备无止境的追求。斯坦福大学鲍哲南教授团队与天津大学胡文平教授团队合作，创造性地在目前广泛使用的导电高分子材料中，引入第二重拓扑交联网络，使其材料力学和电学性能都大大提升，得到了目前导电性最优的可拉伸、可光图案化的柔性电极。3月25日，该成果在线刊发于国际期刊《科学》上。

高密度可拉伸电极阵列双模式运行示意图。

高精密柔性电子器件难以导电和柔性兼顾

近年来，柔性电子设备以其优异的人体兼容性，受到了广泛关注。为了保证设备在运动过程中的稳定运行，导电材料需要同时满足高导电性和高拉伸性。高导电性是电子器件的运行基础，而柔性及高拉伸性则保障了良好的组织贴合度，以及由人体运动导致的设备形变过程中的信号传输稳定性与信号采集信噪比。在此基础上，经微纳加工后仍可保持良好的力电性能，是柔性电子器件精密化的前提。

目前，常用的柔性导体多数基于硬质金属的力学工程方法改进所得。然而，当电极通道缩减至微米/纳米尺寸时，“过硬”的金属材料在形变过程中的导电率难以保持。因此，实现如橡胶一般自身可延展的本征态可拉伸导体材料，是柔性精细电极发展的瓶颈。

基于拓扑超分子网络的可拉伸 PEDOT:PSS 示意图。

针对这一问题，具有更好本征态柔性的导电高分子材料（如PEDOT:PSS），得到了广泛应用。然而，导电性需要高分子链段“整齐排列”，为电信号传输搭建“高速公路”；而拉伸性则需要“无序自由”，帮助材料受力时轻松延展。这一分子层面的天然矛盾，使得导电高分子材料的力电综合性能始终难以突破。“尽管关于可拉伸 PEDOT:PSS 的研究不胜枚举，目前仍无法同时实现良好的本征可拉伸性、优异的导电率，并用于高精度可拉伸器件的制备。”该论文通讯作者之一、天津大学副教授王以轩说。

为导电高分子材料引入“拓扑交联”新结构

在这项工作中，团队创造性地在PEDOT:PSS中引入第二重拓扑交联网络，选择了具有较高构象自由度的“机械互锁”结构，通过分子/链段几何形态的变化赋予了材料本征可拉伸性，并通过后处理工艺进一步提升电导率，最终实现材料力学—电学综合性能突破。此外，借由第二重网络的侧链修饰，该材料可在紫外光照射下发生交联固化，使用水作为显影剂，可方便、绿色地实现光图案化。

目前，光刻仍是微纳器件加工的主流技术，材料的这一特性使其在精密电子元件制造中应用前景广阔。“经过合理设计掺杂剂的拓扑结构和化学结构，得到的薄膜导电率相比于之前报道的策略提高了2个数量级，并且通过直接光固化工艺可制备微米级线宽可拉伸电极阵列。”王以轩说。

图案化电极与皮肤贴合展示。

这一基于分子结构设计实现的材料性能突破，使得以前无法实现的应用成为现实。将对材料化学、生物医学工程、柔性光电子等带来深刻的影响。如在材料化学领域，这种策略可广泛适用于聚合物材料的设计，特别是当试图结合力、电、光等多种竞争性性能时，它可能会实现传统方法无法达到的独特效果。

可拉伸电极阵列与软体动物（章鱼）贴合展示。

从生物医学工程的角度来看，首次实现了以前无法实现的应用。对章鱼这一软体动物实现了精细的肌肉电生理信号监测，而传统的硬质电极器件在相同实验条件下则无法稳定接触，为软体机器人智能制造提供了重要数据参考；针对柔软且精细的器官-脑干，通过可拉伸阵列电极，实现单神经核团级别刺激调控，进而以“热图”的形式快速且准确地勾勒脑干神经核团分布，有助于提升神经外科手术精度。此外，该技术在柔性脑机接口、脑神经损伤修复等脑科学研究与临床转化中可发挥重要作用。

而从柔性光电子的角度来看，该工作所实现的导电高分子的高导电性、可拉伸性和透明度的结合，可比作一种可拉伸的铟锡氧化物(ITO)。团队预计，这种可拉伸透明导体将使许多可伸缩电路及相关应用成为可能，如发光二极管、太阳能电池、光电探测器和场效应晶体管等。

（受访者供图）

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