相關(guān)工作以題目為“An Ultra-stretchable and Self-Healable Nanocomposite Conductor Enabled by Autonomously Percolative Electrical Pathways”發(fā)表在《ACS Nano》上。

背景介紹

借助于自然界中普遍存在的自修復(fù)現(xiàn)象，人們希望開發(fā)出能夠提供醫(yī)療保健和可穿戴電子產(chǎn)品的電子皮膚設(shè)備。因此，需要開發(fā)出可拉伸和可自修復(fù)的導(dǎo)體與有源電子模塊連接，在機(jī)械損壞之后也能提供可靠和有效的功率和數(shù)據(jù)傳輸。然而，讓導(dǎo)體同時具有高拉伸性、高導(dǎo)電性和自修復(fù)性一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。

研究思路

首先，作者通過將AgFs與SHP混合快速的制造出納米復(fù)合導(dǎo)體，并作為導(dǎo)電連接器件印刷到所需的目標(biāo)基板或器件上。接著，利用自然條件下氯仿溶劑快速蒸發(fā)，并控制所制備的AgFs-SHP溶液的粘度獲得均勻的導(dǎo)電膜。作者發(fā)現(xiàn)不同重量比的AgFs與SHP的納米復(fù)合導(dǎo)體具有不同的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，通過優(yōu)化的納米復(fù)合導(dǎo)體中材料的重量比例不僅能夠拉伸至1700％應(yīng)變，而且還能保持599 S/cm的高導(dǎo)電率。同時，發(fā)現(xiàn)在SHP基質(zhì)中通過重排AgFs在拉伸應(yīng)變下導(dǎo)電率出現(xiàn)增強(qiáng)的現(xiàn)象，最終在1700％應(yīng)變作用下其最電導(dǎo)率可達(dá)到2579 S/cm。此外，還發(fā)現(xiàn)該納米復(fù)合導(dǎo)體具有一定的可拉伸性。

圖1.一種超塑性自熱納米復(fù)合導(dǎo)體的電性能和力學(xué)性能。

正如圖2所示，SHP封裝后導(dǎo)體的導(dǎo)電性和可拉伸性都顯著的提高。其中，在3500%應(yīng)變下，封裝導(dǎo)體的導(dǎo)電率最高可達(dá)1137 S/cm，在重新排列60 h后，導(dǎo)電率甚至可以最高增加到3086 S/cm。作者猜測這種優(yōu)異的電學(xué)性能和機(jī)械性能是由于導(dǎo)體和封裝層之間均勻自粘界面處的有效應(yīng)變能耗散。因此，作者制作了一個由封裝的和獨(dú)立的導(dǎo)體組成，每個導(dǎo)體連接到一個商業(yè)二極管上的簡易裝置，在拉伸到1700%的應(yīng)變下，其高導(dǎo)電性并未出現(xiàn)明顯變化，而導(dǎo)電率在60 min后又完全恢復(fù)。

圖2.SHP封裝納米復(fù)合導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)演變。

如圖3所示，納米復(fù)合導(dǎo)體的示意圖顯示了在SHP矩陣中由自發(fā)形成的AgNsP包圍的均勻分布的AgFs。通過透射電子顯微鏡（TEM）和能譜（EDS）直接觀察到AgFs中擴(kuò)散的Ag+離子與SHP的羰基反應(yīng)形成的AgNPs。此外，如圖4所示，作者還通過使用μ-CT和原位掃描電鏡可視化的觀察到了在SHP矩陣中對AgFs-AgNps進(jìn)行自對準(zhǔn)和重排，納米復(fù)合導(dǎo)體中的滲透路徑的有效長度在拉伸后變短。

圖3.納米復(fù)合導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電路徑。

圖4.應(yīng)變SHP矩陣中AgFs-AgNPs自對準(zhǔn)和重排的可視化。

正如圖5所示，納米復(fù)合導(dǎo)體自修復(fù)的示意圖和相應(yīng)的光學(xué)圖像如圖5a所示。作者確認(rèn)了線形受損導(dǎo)體（比率為3:1）在60 ℃下保持1.5 h后被自修復(fù)。此外，作者還研究了用不同的重量比（2:1到4:1）對AgF和SHP的自修復(fù)性能進(jìn)行調(diào)控，其中比例為3:1的材料在損傷和自修復(fù)后表現(xiàn)出最高的拉伸性（1700%應(yīng)變）和可靠的導(dǎo)電性（保持200 S/cm，100%應(yīng)變）。

圖5.納米復(fù)合導(dǎo)體的自修復(fù)性能。

鑒于該納米復(fù)合導(dǎo)體具有優(yōu)異的導(dǎo)電率、自修復(fù)性和超強(qiáng)的可拉伸性，作者將封裝有SHP層的DLC導(dǎo)體應(yīng)用到一個靈活的無線EMG信號監(jiān)測系統(tǒng)中。該生物集成系統(tǒng)通過覆蓋透明皮膚貼片整合附著在皮膚上。通過電生理測量和測量在臨界損傷前后的應(yīng)變范圍為50%的彈性特性，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，將集成的皮膚貼片貼在機(jī)器人手臂上時，在發(fā)送一系列抓取、展開和指向等指令時，都能夠精確地控制機(jī)器人的手部運(yùn)動。

圖6.基于可拉伸和自修復(fù)的強(qiáng)大的交互式人機(jī)界面。

小結(jié)

綜上所述，作者報(bào)道了一種由于SHP基體中導(dǎo)電粒子的重新排列而出現(xiàn)導(dǎo)電性自修復(fù)的現(xiàn)象。具有導(dǎo)電性和力學(xué)性的自修復(fù)納米復(fù)合導(dǎo)體在3500%的應(yīng)變可拉伸下，其導(dǎo)電率最高可以達(dá)到3086 S/cm。此外，作者利用SHP組件制造的DLC在循環(huán)拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性，同時當(dāng)DLC與SHP層封裝時，即使在完全切割后仍舊具有優(yōu)異的可拉伸性。最后，作者還證明了基于納米復(fù)合導(dǎo)體和封裝層的自修復(fù)互連器件非常適用于強(qiáng)大的人機(jī)交互界面。

文章鏈接：An Ultrastretchable and Self-Healable Nanocomposite Conductor Enabled by Autonomously Percolative Electrical Pathways. ACS Nano, 2019, DOI:10.1021/acsnano.9b00160.