過去幾十年來，電子行業(yè)發(fā)展迅速，開發(fā)出無數(shù)不同尺寸和形狀的設備，用于各種應用，其中包括可伸縮電子產品，即傳感器和其他設備，可用于制造智能手表、健身追蹤器、用于監(jiān)測特定健康狀況的生物醫(yī)學傳感器和軟體機器人。

柔性電子產品通常使用軟聚合物制成，這種彈性材料由長分子鏈組成，可以承受顯著的變形而不會斷裂。為了擴大其功能或提高其性能，這些聚合物通常與具有特定光電或磁性的微米級或納米級粒子（也稱為功能粒子）相結合。

現(xiàn)有的大多數(shù)將功能粒子引入聚合物的方法都是將粒子分散到液體分子中，這些分子與其他分子結合形成聚合物，然后再將材料固化。然而，這些策略中的許多僅適用于某些聚合物-粒子組合，或者難以大規(guī)模實施。

據(jù)外媒報道，新加坡國立大學（National University of Singapore）何思遠（John S. Ho）教授課題組和美國萊斯大學（Rice University）江雍粦（Yong Lin Kong）教授課題組最近在期刊《Nature Electronics》發(fā)表論文，介紹了一種制備軟電子器件的新方法。這篇論文的第一作者是華南理工大學林容周博士。

圖片來源：期刊《Nature Electronics》

研究人員開發(fā)的新方法利用一種稱為“粒子吞噬（particle engulfment）”的軟物質物理現(xiàn)象將粒子嵌入軟聚合物中。粒子吞噬是一個自發(fā)過程，當聚合物基質的彈性毛細管長度超過粒子的特征長度時就會發(fā)生。

“彈性毛細管長度是表面應力比體積彈性應力更重要的長度尺度，”該論文的共同通訊作者江雍粦教授表示。“例如，當一個尺寸小于彈性毛細管長度的粒子（例如非常柔軟的基質）留在表面上時，基質的表面應力會占主導地位，以至于粒子被固體基質本身‘吞沒’在能量上是有利的。這種現(xiàn)象本身并不新鮮，軟物質物理學界的其他人已經(jīng)對其進行了研究，包括康奈爾大學的Eric Dufresne教授的一項出色工作。然而，先前的研究研究了少數(shù)粒子的粒子吞噬，到目前為止還沒有用于制造電子產品。”

在嘗試創(chuàng)建有效的軟應變傳感器時，研究人員發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的將CNT顆粒分散到聚合物溶液中的方法無法可靠地生產出高性能可拉伸傳感器所需的導電聚合物。然而，他們意外地發(fā)現(xiàn)了利用顆粒吞噬來為可拉伸電子產品創(chuàng)建這些導電聚合物的優(yōu)勢。

“使用碳納米管（CNT）創(chuàng)建應變傳感器的傳統(tǒng)方法通常涉及使用溶劑將CNT分散到聚合物前體中，”論文第一作者林容周表示。“然而，我們在使用這種方法生產導電復合材料時遇到了挑戰(zhàn)。出乎意料的是，我們發(fā)現(xiàn)將橡膠 CNT 涂在固化的硅膠上很容易形成導電復合材料。”

當他們進一步研究這一現(xiàn)象時，研究人員發(fā)現(xiàn)納米材料可以通過粒子吞噬現(xiàn)象自發(fā)地嵌入聚合物基質中。然后，他們將這種方法與印刷裝置相結合，使用模板掩模來控制暴露區(qū)域，結果發(fā)現(xiàn)這種方法可以成功地將各種功能粒子摻入軟聚合物中。

為了展示新方法的潛力，該團隊利用該方法制造了包含各種材料的多層彈性電子產品。他們制造的設備可能適用于不同的實際應用，因為它們被發(fā)現(xiàn)具有無線傳感、通信和電力傳輸能力。

“據(jù)我們所知，這是首次成功利用粒子吞噬來制造軟電子產品，”林容周教授表示。

除了展示利用粒子吞噬開發(fā)具有類似組織特性的系統(tǒng)級電子產品的可能性外，這項研究還為軟物質物理研究開辟了新的可能性。未來的研究可以利用該團隊采用的方法進一步研究粒子吞噬的物理學原理。

“由于這是首次對高濃度粒子吞噬的實驗研究，我們的實驗數(shù)據(jù)可能會揭示以前從未探索過的新物理見解，”江教授補充道。“我們有趣的觀察結果為軟物質物理學帶來了新的問題，例如多層粒子吞噬，這可能會啟發(fā)未來的應用。”

由于研究人員設計的新策略既可擴展又可靠，因此很快其他團隊也可以采用它，為電子行業(yè)的進一步發(fā)展做出貢獻。

未來，它可以用于制造更廣泛的電子產品，包括機器人的電子皮膚和可穿戴設備的可拉伸傳感器。