可穿戴和植入性智能設備的發展讓人與機器之間的邊界開始模糊，也讓人們看到了更多人機協作的可能性。不過，堅硬的電子元件不僅使用體驗欠佳，更有造成傷害的風險。近日，斯坦福大學華人教授鮑哲南領導的研究團隊制作出了一種兼顧導電性和延展性高分子材料，相應成果發表在3月10日的《科學進展》（Science Advances）上。這種“柔軟”如人類皮膚的導電材料可用于制造新一代可穿戴電子設備，如果通過進一步的生物相容性檢驗，它還可能應用在植入性電子設備上。
近年來，許多表皮電氣器件、植入性傳感器、眼球攝像頭都對材料的延展性提出了要求。這些設備需要緊密貼合人類不同位置的生物學弧度，保證在1倍拉伸時依然正常工作。目前，制作這些“柔軟”的設備主要基于這樣的思路：設備的一些核心功能部件，比如晶體管、LED、光伏元件，是幾個堅硬的點，但是可以用延展性良好的材料將它們連接起來。因此，尋找在高度拉伸狀態下依然導電性良好的材料至關重要。量化來看，連接材料需要在大于1倍拉伸時保持1000S/cm（西門子每厘米，電導率單位）以上的電導性。
然而，現有材料往往都難以兼顧導電性和延展性。此前，鮑哲南團隊曾將一種高導電性的聚合物PEDOT（（3,4-乙烯二氧噻吩單體的聚合物）和一種高分子化合物PSS（聚苯乙烯磺酸鈉）組合，這種PEDOT：PSS材料導電性極好，但不能禁受5%以上的拉伸。后來，研究者們也曾嘗試在PEDOT：PSS中加入塑化劑來提升延展性，但都導致材料的導電性被極大地破壞，應用價值很低。
一種理想的兼顧導電性和延展性的材料應該有“軟“有“硬”。“軟”指向材料的活動程度和柔軟性，而“硬”指向材料的晶體化程度和導電性，最好是由“軟”材料形成網狀建構網住“硬”材料。當達到玻璃化溫度后，高分子鏈段開始運動，材料隨之“軟”化，彈性增加，導電性也下降。然而，PEDOT和PSS都不具備明顯的玻璃化溫度，因而無法直接用操控溫度的方式來達到有“軟“有“硬”的效果。
在測試了一系列添加劑后，鮑哲南團隊發現其中三種效果比較理想。它們的共性是：在水中和PEDOT:PSS網絡中具有高溶解性；富含酸性例子。一方面，這些添加劑能軟化PSS，使PSS化合鏈間形成空間，提高整體延展性；另一方面，它們能破壞PSS和PEDOT之間的靜電作用，使PEDOT在PSS網絡間富集起來，并保持PEDOT間良好的連通性。
加入理想添加劑的PEDOT：PSS材料在1倍拉伸時依然保持高于4100S/cm的導電率。研究者用這種材料連接LED進行試驗，發現在材料被扭曲、被尖銳物理戳中等極端延展情況下，LED的亮度只有小幅的變化。
同時，此前所用的波狀金屬連接體需要更大的空間，而這種新材料的空間利用率要比波狀金屬高5倍。
最后，研究團隊將材料在9個方向上從0%拉伸到125%，連接的9個晶體管工作表現差距小于10%。這表明材料在各個方向都具有良好的延展性和導電性。
總而言之，這種“柔軟”材料導電性和延展性俱佳，完全滿足可穿戴和表皮電子設備的要求，尤其適合制作曲面電子設備。此外，這種材料還有被批量打印制作的潛力。據新華社報道，鮑哲南團隊下一步工作是要測試它的生物相容性，以驗證它是否適用于植入性電子設備。
來源：澎湃新聞網
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