斯坦福大学华人学者开发柔软导电材料，可穿戴设备不再僵硬

可穿戴和植入性智能设备的发展让人与机器之间的边界开始模糊，也让人们看到了更多人机协作的可能性。不过，坚硬的电子元件不仅使用体验欠佳，更有造成伤害的风险。近日，斯坦福大学华人教授鲍哲南领导的研究团队制作出了一种兼顾导电性和延展性高分子材料，相应成果发表在3月10日的《科学进展》（Science Advances）上。这种“柔软”如人类皮肤的导电材料可用于制造新一代可穿戴电子设备，如果通过进一步的生物相容性检验，它还可能应用在植入性电子设备上。

近年来，许多表皮电气器件、植入性传感器、眼球摄像头都对材料的延展性提出了要求。这些设备需要紧密贴合人类不同位置的生物学弧度，保证在1倍拉伸时依然正常工作。目前，制作这些“柔软”的设备主要基于这样的思路：设备的一些核心功能部件，比如晶体管、LED、光伏元件，是几个坚硬的点，但是可以用延展性良好的材料将它们连接起来。因此，寻找在高度拉伸状态下依然导电性良好的材料至关重要。量化来看，连接材料需要在大于1倍拉伸时保持1000S/cm（西门子每厘米，电导率单位）以上的电导性。

然而，现有材料往往都难以兼顾导电性和延展性。此前，鲍哲南团队曾将一种高导电性的聚合物PEDOT（（3,4-乙烯二氧噻吩单体的聚合物）和一种高分子化合物PSS（聚苯乙烯磺酸钠）组合，这种PEDOT：PSS材料导电性极好，但不能禁受5%以上的拉伸。后来，研究者们也曾尝试在PEDOT：PSS中加入塑化剂来提升延展性，但都导致材料的导电性被极大地破坏，应用价值很低。

一种理想的兼顾导电性和延展性的材料应该有“软“有“硬”。“软”指向材料的活动程度和柔软性，而“硬”指向材料的晶体化程度和导电性，最好是由“软”材料形成网状建构网住“硬”材料。当达到玻璃化温度后，高分子链段开始运动，材料随之“软”化，弹性增加，导电性也下降。然而，PEDOT和PSS都不具备明显的玻璃化温度，因而无法直接用操控温度的方式来达到有“软“有“硬”的效果。

在测试了一系列添加剂后，鲍哲南团队发现其中三种效果比较理想。它们的共性是：在水中和PEDOT:PSS网络中具有高溶解性；富含酸性例子。一方面，这些添加剂能软化PSS，使PSS化合链间形成空间，提高整体延展性；另一方面，它们能破坏PSS和PEDOT之间的静电作用，使PEDOT在PSS网络间富集起来，并保持PEDOT间良好的连通性。

加入理想添加剂的PEDOT：PSS材料在1倍拉伸时依然保持高于4100S/cm的导电率。研究者用这种材料连接LED进行试验，发现在材料被扭曲、被尖锐物理戳中等极端延展情况下，LED的亮度只有小幅的变化。

同时，此前所用的波状金属连接体需要更大的空间，而这种新材料的空间利用率要比波状金属高5倍。

最后，研究团队将材料在9个方向上从0%拉伸到125%，连接的9个晶体管工作表现差距小于10%。这表明材料在各个方向都具有良好的延展性和导电性。

总而言之，这种“柔软”材料导电性和延展性俱佳，完全满足可穿戴和表皮电子设备的要求，尤其适合制作曲面电子设备。此外，这种材料还有被批量打印制作的潜力。据新华社报道，鲍哲南团队下一步工作是要测试它的生物相容性，以验证它是否适用于植入性电子设备。