通常情況下，可拉伸電子材料的楊氏模量遠(yuǎn)高于柔軟的彈性體或者生物組織（圖1a），因此在拉伸條件下，功能層的裂紋傳播更容易發(fā)生（圖1b）。然而，通過(guò)在電子材料和柔軟基底之間插入柔性中間層的設(shè)計(jì)，可以有效減少裂紋傳播，從而提高功能層的拉伸性能（圖1c）。近日，芝加哥大學(xué)王思泓教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于高分子柔性體中間層的設(shè)計(jì)策略，巧妙地將水凝膠基底與高分子導(dǎo)體、高分子半導(dǎo)體等材料結(jié)合，從而構(gòu)建了一系列超柔軟的有機(jī)電子器件。通過(guò)這種特殊設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)展示了模量低于10 kPa的可拉伸場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列，其柔軟度比已報(bào)道的可拉伸晶體管器件低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖1d-f）。
柔軟組織與電子材料間模量差異以及超柔軟器件的實(shí)現(xiàn)方法
通過(guò)有限元分析，由于柔性中間層的存在，功能層將與中間層直接接觸，借此層間模量差異將被降低，從而減少模量差導(dǎo)致的裂紋傳播。此外，根據(jù)不同的中間層厚度以及不同粘附狀況的分析，柔性中間層的設(shè)計(jì)得到了進(jìn)一步的優(yōu)化（圖2a-d）。在針對(duì)可拉伸有機(jī)半導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)中，厚度僅為1微米的中間層就能夠?qū)⒂袡C(jī)半導(dǎo)體的拉伸性能極大地提升（圖2e-h）。
針對(duì)柔性中間層的有限元分析以及不同中間層設(shè)計(jì)對(duì)功能層中裂紋傳播的影響
實(shí)驗(yàn)表明，即使用超軟水凝膠作為器件基底，柔性中間層的存在使得可拉伸晶體管器件仍保有較好的電學(xué)特征及拉伸性（圖3a-d）。利用預(yù)先設(shè)計(jì)好的中間層圖案，由水凝膠支撐的可拉伸晶體管陣列的模量得到了進(jìn)一步的降低至5.2 kPa （圖3e-h）。
超低模量晶體管的電學(xué)性能表征以及超低模量晶體管陣列的表征
由于器件的超低模量特性，這種超軟有源器件在適應(yīng)不規(guī)則表面方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，還能極大程度地減少了器件對(duì)貼附表面的限制（圖4）。此外，基于這種設(shè)計(jì)的超柔軟器件在體內(nèi)生物相容性測(cè)試中證明了抑制長(zhǎng)期植入的免疫排斥反應(yīng)（圖5a-d），并且在對(duì)孤立心臟進(jìn)行電生理記錄實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了更加優(yōu)越的穩(wěn)定性以及減少對(duì)跳動(dòng)小鼠心臟的干預(yù)（圖5e-h）。
超低模量器件的對(duì)柔軟表面的貼附性能的研究
超低模量器件的生物相容性測(cè)試
這一創(chuàng)新對(duì)于未來(lái)柔性電子學(xué)領(lǐng)域具有重要意義，為開(kāi)發(fā)更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的電子設(shè)備提供了新的思路。該研究論文發(fā)表在了《自然•通訊》（Nature Communications ）上，第一作者為芝加哥大學(xué)博士生李陽(yáng)。隨著該團(tuán)隊(duì)的研究不斷深入，相信這些超柔軟有機(jī)電子器件將在生物醫(yī)學(xué)、可穿戴技術(shù)和智能皮膚等領(lǐng)域發(fā)揮出更多潛力，為人們的日常生活帶來(lái)更多便利與創(chuàng)新。
