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- 10秒“樂高式”組裝讓柔性器件性能更穩(wěn)
- 來源：中國科學(xué)報 刁雯蕙 發(fā)表于 2023/2/27
柔性電子器件在人體健康監(jiān)測、分析及可穿戴設(shè)備等生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。然而，在柔性電子器件組裝中，用于連接不同模塊的商用導(dǎo)電膠容易變形、斷裂，導(dǎo)致接口不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響整個器件的拉伸性和信號質(zhì)量。
近日，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員劉志遠(yuǎn)與新加坡南洋理工大學(xué)教授陳曉東、美國斯坦福大學(xué)教授鮑哲南等合作，繞開了用“商業(yè)膠水”組裝柔性電子器件的思路，開發(fā)了一種基于雙連續(xù)納米分散網(wǎng)絡(luò)的新型柔性界面。它能夠作為柔性電子器件通常所包含的柔性模塊、剛性模塊以及封裝模塊的通用接口，只需按壓10秒，就可實(shí)現(xiàn)柔性電子器件“樂高式”的穩(wěn)定組裝。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。
偶然發(fā)現(xiàn)的“魔術(shù)貼”
柔性電子器件大致可分為植入式和體表式兩種，主要用于采集應(yīng)力信號、溫度信號、生理電信號等生理數(shù)據(jù)，以監(jiān)測人體健康狀態(tài)。
“這些柔性電子器件一般都由不同模塊組裝而成，主要包括直接貼合人體的柔性傳感模塊、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算的硅基微電子剛性模塊，以及保護(hù)器件免受機(jī)械磨損和外部侵蝕的封裝模塊�！闭撐耐ㄓ嵶髡邉⒅具h(yuǎn)介紹，由于這三種模塊的形狀參數(shù)、材料性質(zhì)、加工條件不同，往往要先分開制備，再通過商用導(dǎo)電膠組裝在一起，構(gòu)成不同功能的柔性電子器件。
然而，商用導(dǎo)電膠的瓶頸卻破壞了柔性電子器件的整體穩(wěn)定性。
論文作者、美國斯坦福大學(xué)訪問博士后姜穎解釋說，無論單個模塊的拉伸性多好，只要模塊接口處的拉伸性很弱，整個器件的拉伸性就會受到制約。
“我們曾把研發(fā)的柔性電子器件放在大鼠體內(nèi)，想長期監(jiān)測它的動態(tài)生理信號。結(jié)果沒過幾天，柔性傳感模塊本身沒問題，接口卻在大鼠跑動過程中斷掉了。這樣的器件是很難在實(shí)際中應(yīng)用的�！苯f說，他們一直在試圖解決這個問題。
2017年，劉志遠(yuǎn)正在論文通訊作者陳曉東課題組攻讀博士，其間到論文通訊作者鮑哲南課題組作訪問交流。在那里，他偶然發(fā)現(xiàn)，特定制備條件下，基于SEBS嵌段聚合物和黃金納米顆粒的柔性界面，即BIND界面，面對面貼合時有“魔術(shù)貼”式的電氣與機(jī)械雙重黏合特性，這是之前從未報道過的新現(xiàn)象。
回到新加坡后，劉志遠(yuǎn)與同在陳曉東課題組攻讀博士的姜穎一起對這種新型柔性界面進(jìn)行了深入研究。
讓柔性電子器件組裝靈活
他們很快發(fā)現(xiàn)，這種柔性界面能作為柔性模塊之間的接口，像“魔術(shù)貼”一樣將不同功能的柔性傳感器穩(wěn)定黏合在一起，從而實(shí)現(xiàn)柔性模塊間的連接。
除了柔性傳感模塊外，柔性電子器件還需要組裝剛性模塊、封裝模塊等，但要將這些不同的模塊完整組裝在一起并發(fā)揮柔性電子器件的功能并非易事，特別是柔性模塊與剛性模塊之間的接口機(jī)械性能匹配度低，受到的應(yīng)力集中和破壞程度高。
于是，他們采用OTS修飾等方法將BIND界面制備在硬質(zhì)模塊上，讓硬質(zhì)模塊能連接另一個有BIND界面的柔性模塊。
“這種方法的普適性很強(qiáng)，就像‘拼樂高’一樣，任何帶有BIND接口的模塊，只要面對面按壓在一起，就能把柔性電子器件更靈活組裝在一起�！苯f說，“這可以匹配工業(yè)成熟的工藝，如柔性聚酰亞胺PCB。”
聯(lián)合團(tuán)隊隨后通過原子力顯微鏡對其納米級力學(xué)性能進(jìn)行了成像和辨識，并用分層俄歇電子能譜定量分析，得知其電氣與機(jī)械的雙重黏附來源于100納米深度內(nèi)三維相互穿插的雙連續(xù)納米網(wǎng)絡(luò)，并基于分子動力學(xué)模擬構(gòu)建了BIND界面的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)生長機(jī)理，進(jìn)而優(yōu)化了它的電氣和機(jī)械性能。
為了驗(yàn)證BIND接口在智能柔性醫(yī)療器件中的實(shí)際應(yīng)用，聯(lián)合團(tuán)隊制備了使用該接口組裝的植入式神經(jīng)調(diào)控傳感系統(tǒng)，利用國家自然科學(xué)基金委重大科學(xué)儀器項目完成的體表多通道電生理信號傳感系統(tǒng)采集電生理信號。
實(shí)驗(yàn)表明，采用新型接口的柔性醫(yī)療器件能高精度、高保真、抗干擾地監(jiān)測體內(nèi)外不同器官，如表皮、腦皮層、坐骨神經(jīng)、腓骨肌肉、膀胱等，與商用導(dǎo)電膠組裝的器件相比系統(tǒng)信號質(zhì)量大幅度提升。
據(jù)介紹，采用BIND界面的柔性模塊接口，其導(dǎo)電拉伸率可達(dá)180%、機(jī)械拉伸率可達(dá)600%，遠(yuǎn)高于采用商用導(dǎo)電膠連接的普通接口（分別為45%、60%）；對于硬質(zhì)模塊接口，其導(dǎo)電拉伸率達(dá)到200%，適用于聚酰亞胺、玻璃、金屬等多種硬質(zhì)材料；對于封裝模塊接口，BIND界面能提供0.24牛頓每毫米的黏附力，是傳統(tǒng)柔性封裝的60倍。
有望應(yīng)用于下一代智能柔性醫(yī)療器件
“毫無疑問，該團(tuán)隊研發(fā)的柔性電子器件BIND接口，表征和應(yīng)用都非常良好，其設(shè)計邏輯和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證令人印象深刻�！币晃粚徃迦藢υ摮晒o予了高度評價。
事實(shí)上，他們在2021年9月把這一歷時5年的研究成果投稿到《自然》時，僅3天時間就收到了送審郵件，短短3個月內(nèi)便收到了3位審稿人的意見。
“其中一位審稿人提及BIND界面中雙連續(xù)納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的生長機(jī)理，這是一個很重要的建議。”姜穎回憶道，“因?yàn)槲覀冄芯康氖且环N新的納米結(jié)構(gòu)，不限于研究‘是什么’‘怎么用’，還應(yīng)該探討‘為什么’，從微觀機(jī)理的角度解釋宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。”
對此，研究團(tuán)隊與固體力學(xué)家、美國工程院院士高華健團(tuán)隊合作，基于分子動力學(xué)模擬構(gòu)建了BIND界面的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)生長機(jī)理，解釋了聚合物流體襯底與高動量金屬原子之間的相互作用，得到了審稿人的認(rèn)可。
在《自然》同期發(fā)表的研究簡報中，清華大學(xué)教授張一慧評論說，該工作提高了柔性電子接口的機(jī)械和電子穩(wěn)定性，推動了電子皮膚、可植入器件等柔性電子器件的實(shí)際應(yīng)用。
“該研究為智能柔性電子器件的模塊化組裝提供了可拉伸、穩(wěn)定的通用接口，不僅簡化了柔性醫(yī)療器件的使用，而且加速了多模態(tài)、多功能柔性醫(yī)療器件的研發(fā)�！眲⒅具h(yuǎn)說，“通過該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個醫(yī)療領(lǐng)域，如植入式人機(jī)接口、體表健康監(jiān)測、智能柔性傳感等。不過，它在重復(fù)使用性、空間分辨率、電導(dǎo)率、長期植入的生物相容性等方面還存在局限性。”
接下來，研究團(tuán)隊將從生物醫(yī)學(xué)、分子動力學(xué)、有機(jī)合成等領(lǐng)域出發(fā)，研發(fā)下一代新型醫(yī)療器件的智能傳感材料，打造智能化、柔性化、交互式的人機(jī)接口傳感器件，應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人及系統(tǒng)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05579-z
�。ㄔd于《中國科學(xué)報》 2023-02-22 第1版 要聞）
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