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納米顆粒和彈性導(dǎo)體，怎么來點(diǎn)創(chuàng)新？

來源: X-MOL 2017-06-14 10:46:56

智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)在逐漸改變我們的日常生活，它不僅提供硬件設(shè)備，更重要的是通過數(shù)據(jù)交換、云端交互等應(yīng)用進(jìn)一步提高生活質(zhì)量。這一新興領(lǐng)域的快速成長與柔性及可拉伸器件的開發(fā)是密不可分的。新穎的柔性電子器件（如傳感器等）在消費(fèi)電子市場、軍事、醫(yī)療健康等各個(gè)領(lǐng)域均表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力，正因如此，諸如可貼附、可穿戴、可折疊、可拉伸等柔性電子器件的研究備受國內(nèi)外科研工作者的關(guān)注。

近日，日本東京大學(xué)的Takao Someya教授課題組在Nature Materials 雜志上發(fā)表文章，以含氟橡膠、氟表面活性劑、微米大小的銀薄片和甲基異丁基酮做油墨，印刷出高性能可拉伸的彈性導(dǎo)體。制備過程中原位形成的銀納米顆粒，保證了彈性導(dǎo)體的高電導(dǎo)率。該材料初始電導(dǎo)率高于4,000 S?cm-1（最高為6,168 S?cm-1），拉伸400%至原長度的5倍后，電導(dǎo)率仍可保持在935 S?cm-1。由于制備工藝簡單，與工業(yè)常用的印刷工藝高度兼容，該材料的應(yīng)用前景一片光明。

Takao Someya教授課題組一直致力于智能仿生皮膚、超薄柔性電路、有機(jī)晶體管等領(lǐng)域的研究，多有開拓領(lǐng)域與革新認(rèn)知之作，是公認(rèn)的柔性器件研究領(lǐng)域大牛。

回到這篇文章，高性能可拉伸的彈性導(dǎo)體其制備過程總共分三步：Step 1，選擇油墨。氟橡膠因其優(yōu)異的拉伸性能和環(huán)境穩(wěn)定性而被選用，甲基異丁基酮可以溶解氟橡膠因而作為溶劑，再向其中加入和氟橡膠相容的非離子型高分子表面活性劑和微米大小的銀薄片。油墨的粘度為14.5?Pa?（剪切速率10 s-1），適用于模版、絲網(wǎng)和噴墨印刷等方法。Step 2，印刷，并隨后在80 ℃干燥1小時(shí)。Step 3，升溫至120 ℃再加熱1小時(shí)。

整個(gè)過程看起來平淡無奇，但材料內(nèi)部卻發(fā)生了讓人驚訝的變化。研究者發(fā)現(xiàn)經(jīng)過印刷和后續(xù)的120 ℃加熱，彈性導(dǎo)體內(nèi)部原位形成了銀納米顆粒（2-10 nm），并且均勻分散在氟橡膠中。這一現(xiàn)象在過去還從未見諸報(bào)道，就算是那些“配方”很相近的彈性導(dǎo)體研究中，也沒有發(fā)現(xiàn)過銀納米顆粒的原位形成。這又是為什么呢？

印刷過程中會原位形成重要的銀納米顆粒。

研究者通過對比實(shí)驗(yàn)告訴了我們答案。他們在配方中去掉了表面活性劑（下圖c-e）、或去掉最后的120 ℃加熱步驟（下圖f-h），與正常步驟（下圖i-k）相比，所得到的產(chǎn)品中原位生成的銀納米顆粒大大減少。說明表面活性劑和120 ℃加熱步驟對于銀納米顆粒的原位生成至關(guān)重要。

表面活性劑及120 ℃加熱步驟對銀納米顆粒原位形成的影響。

銀納米顆粒的存在對于彈性導(dǎo)體的導(dǎo)電性影響也至關(guān)重要。去掉了表面活性劑或去掉最后的120 ℃加熱步驟，都會使材料的初始電導(dǎo)率及拉伸（300%）后的導(dǎo)電率大幅降低。而且，銀納米顆粒也能改善材料的機(jī)械性能。

表面活性劑及120 ℃加熱步驟對材料電導(dǎo)率的影響。

那么，銀納米顆粒到底是如何形成的呢？作者排除了銀薄片直接帶入銀納米顆粒的可能。他們經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)提出了可能的機(jī)制：銀薄片雖然沒有直接帶入銀納米顆粒，但是上面存在氧化銀（Ag2O），其中的銀離子（Ag+）擴(kuò)散到了氟橡膠中；在隨后的干燥及加熱過程中，氟表面活性劑將銀離子還原，形成銀納米顆粒。

說了這么多，彈性導(dǎo)體有什么實(shí)用價(jià)值呢？為了回答這個(gè)問題，研究者制造了全印刷式的彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括用彈性導(dǎo)體線連接的置于剛性基底上的溫度和壓力傳感器。這樣一來，在材料整體被拉伸時(shí)，傳感器部分就無需承受張力，這無疑降低了對傳感器的要求。整個(gè)彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被置于可拉伸基材（比如織物）或者彎曲表面之上，并穩(wěn)定的發(fā)揮感應(yīng)器的功能——在拉伸不高于250%的情況下都能準(zhǔn)確地感知溫度和壓力。

全印刷式的彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)。

帶彈性傳感器網(wǎng)絡(luò)的手套。通過分析相連LED的亮度，可以輕易測得指間壓力。

除了可穿戴設(shè)備，這種彈性導(dǎo)體還能用在柔性機(jī)器人身上。通過感應(yīng)器和彈性導(dǎo)體的配合，柔性機(jī)器人的皮膚也能獲得類似人類皮膚的感覺功能，這對于機(jī)器人的性能增強(qiáng)以及應(yīng)用范圍的拓寬有著重要意義。

——簡評——

在彈性體中添加金屬薄片甚至納米顆粒，這思路稱不上有多新穎。但如果納米顆粒是“原位形成”的，形成方式之前還沒有報(bào)道過，這就不一樣了。講清楚機(jī)理，將制備方法向工業(yè)上常用的工藝靠一靠，再做一兩個(gè)看起來很酷的應(yīng)用實(shí)例，一篇高分Nature子刊就出爐了。小伙伴們，有啟發(fā)么？

材料學(xué)

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