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。3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”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的可拉伸、可光圖案化的柔性電極。相關成果在線刊發于國際期刊《科學》上。
讓材料實現導電和柔性雙突破
近年來，因具有優異的人體兼容性，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定性。
目前，常用的柔性導體多數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可拉伸導體材料，是實現柔性精細電極發展的重要基礎。
因具有良好的本征態柔性，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。“盡管關于可拉伸PEDOT:PSS的研究不勝枚舉，但目前仍無法同時實現良好的本征可拉伸性和優異的導電率，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，團隊創造性地在PEDOT:PSS中引入第二重“拓撲交聯”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，最終實現材料力學與電學性能的雙突破。此外，借由第二重網絡的側鏈修飾，該材料還可在紫外光照射下發生交聯固化，使用水作為顯影劑，可方便、綠色地實現光圖案化。
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?！芭c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個數量級，并且用現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。”王以軒說。
這一基于分子結構設計實現的材料性能突破，將實現以前無法實現的應用，或給材料化學、生物醫學工程、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，它可能會實現傳統方法無法達到的獨特效果。
在生物醫學工程領域，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測，而傳統的硬質電極器件在相同實驗條件下則無法與章魚等穩定接觸，這將為軟體機器人智能制造提供重要數據參考；針對柔軟且精細的腦干，可拉伸電極陣列可實現對單神經核團的刺激調控，進而以“熱圖”的形式快速且準確地勾勒腦干神經核團分布，有助于提升神經外科手術精度。此外，可拉伸電極陣列在柔性腦機接口、腦神經損傷修復等腦科學研究與臨床轉化中也可發揮重要作用。
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，如發光二極管、太陽能電池、光電探測器和場效應晶體管等。
