Science|用于超弹性电子器件、传感器和肌肉的层次弯曲的鞘芯纤维

1. 导读

近些年来，可穿戴的柔性电子设备已经对我们日常生活的各个方面产生了巨大的影响，如医疗保健、健康监测、软机器人、假肢、柔性显示器、通信、人机交互等领域。随着智能终端的快速发展，新一代的可穿戴电子正朝着人工智能（AI）和物联网（IoT）时代快速发展，有望实现更高水平的舒适性、便捷性、互联性和智能化。超薄弹性导体作为皮肤电子学的重要组成部分之一，而导电弹性纳米复合材料被认为是一种可行的候选材料。然而，关键的挑战是金属导电性、高拉伸性、超薄厚度和易于图案化。通常情况下，这些特性之间存在权衡，并且这些目标很难同时实现。

鉴于此，韩国基础科学研究所、首尔大学的Dae-Hyeong Kim和Taeghwan Hyeon团队等人，提出了一种浮子组装方法来制备满足所有要求的纳米膜。该方法可以使纳米材料在油-水界面处紧密组装，并将其部分嵌入到超薄弹性膜中，能使施加的应变在弹性膜中分布，从而导致纳米材料即使在高负载情况下也具有高弹性。此外，该结构允许冷焊和双层堆垛，从而获得高导电性。这些特性在使用光刻技术制作高分辨率图案后仍能保存下来。利用该纳米膜可以制备出多功能的表皮传感器阵列。相关成果以题为“Highly conductive and elastic nanomembrane for skin electronics”发表在了顶刊Science。

2. 图文速递

2.1 纳米膜的制备

图1. 利用浮动组装法制备高导电和可拉伸的纳米膜

▲1-图解：（A和B）溶液注入过程的示意图。（A）首先把纳米复合溶液注入到水。溶液由纳米材料、水不溶性弹性体、不溶于水的溶剂、乙醇；（B）由于马朗戈尼流，纳米复合溶液的质量沿着水面扩散，导致NWs的单层组装。（C~F）NWs封闭包装工艺流程示意图。（C）溶液注入后，组装后样品覆盖整个水面；（D）在溶液中心注入几滴表面活性剂；（E）活性剂四周扩散；（F）将NWs留在部分嵌入的弹性基体上。

2.2 纳米膜的结构和力学响应

图2.  纳米膜的结构和力学性能。

▲2-图解： 纳米膜的结构和力学表征。（A~C）显示超薄纳米膜结构的显微图像。（A） NWs在纳米膜（比例尺：2 µm）中紧密排列的SEM图像（俯视图）；（B）纳米膜横截面放大扫描电镜图像（比例尺：200 nm）；（C）固定在超薄弹性体层中的组装NWs的TEM放大图；在NWs之间的弹性体用黄色箭头标记（比例尺：20 nm）；（D）纳米膜横截面的详细结构和尺寸；（E~G）纳米膜在250 %拉伸应变（F）和500 %拉伸（G）；（H~J）纳米膜在原始状态（E）和拉伸状态下的高弹性SEM图（K~M）H~J纳米膜的 SEM横截面图 （比例尺：100 nm）。

2.3  纳米膜的电学性能

图3. 冷焊堆垛后图案化纳米膜的电学性能。

▲3-图解：纳米膜冷焊和堆焊后的电学性能。（A和B）采用光刻技术对纳米膜进行高分辨率图案化。（A）通过光刻技术图案化过程的示意图；（B）具有20 µm长的纳米膜的SEM图（比例尺：100 µm）。（C和D） 冷焊之前（C）和之后（D）纳米膜横断面视图和TEM图像；（E）冷焊后导电性增强；（F）冷焊后纳米膜的抗菌性能增强。（G~I）两层纳米膜对齐堆叠后提高了相关性能；（G）两个堆叠的纳米膜示意图；（H）堆叠纳米膜的电导率；（I）弹性衬底上两个拉伸方向施加应变的归一化电阻。（J~L）垂直叠加后电导方向性的消除；（J）两个堆叠纳米膜的示意图；（K）松弛纳米膜的电导率与单层纳米膜的电导率比较。

3. 小结

由于皮肤材料必须具有高导电性、可拉伸性和薄性，因此人类触觉的特性，包括对温度、压力或表面粗糙度差异的高度敏感性，在机器人技术中是很难制造的。本工作开发的一种将纳米材料组装成单层的工艺，该单层部分嵌入超薄弹性体中。这个过程是通过将含有纳米银和/或金的混合溶剂以及弹性体沉积在去离子水上来实现的。这导致一层纳米颗粒驻留在弹性体的界面涂层上，弹性体通过添加表面活性剂进一步致密化。此外，该工艺是可扩展的，利用该纳米膜可以制备出多功能的表皮传感器阵列；并且生成的弹性体膜可以转移到其他基体材料上。因此，纳米膜可以作为有效的增强材料，具有潜在的广泛应用，如传感器，其他电子材料。