通常情況下，可拉伸電子材料的楊氏模量遠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，通過在電子材料和柔軟基底之間插入柔性中間層的設計，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，芝加哥大學王思泓教授團隊報道了一種基于高分子柔性體中間層的設計策略，巧妙地將水凝膠基底與高分子導體、高分子半導體等材料結(jié)合，從而構(gòu)建了一系列超柔軟的有機電子器件。通過這種特殊設計，該團隊展示了模量低于10 kPa的可拉伸場效應晶體管陣列，其柔軟度比已報道的可拉伸晶體管器件低了兩個數(shù)量級（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現(xiàn)方法
通過有限元分析，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，柔性中間層的設計得到了進一步的優(yōu)化（圖2a-d）。在針對可拉伸有機半導體的實驗中，厚度僅為1微米的中間層就能夠?qū)⒂袡C半導體的拉伸性能極大地提升（圖2e-h）。
針對柔性中間層的有限元分析以及不同中間層設計對功能層中裂紋傳播的影響
實驗表明，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特征及拉伸性（圖3a-d）。利用預先設計好的中間層圖案，由水凝膠支撐的可拉伸晶體管陣列的模量得到了進一步的降低至5.2 kPa （圖3e-h）。
超低模量晶體管的電學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貼附表面的限制（圖4）。此外，基于這種設計的超柔軟器件在體內(nèi)生物相容性測試中證明了抑制長期植入的免疫排斥反應（圖5a-d），并且在對孤立心臟進行電生理記錄實驗中表現(xiàn)出了更加優(yōu)越的穩(wěn)定性以及減少對跳動小鼠心臟的干預（圖5e-h）。
超低模量器件的對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試
這一創(chuàng)新對于未來柔性電子學領域具有重要意義，為開發(fā)更靈活、適應性更強的電子設備提供了新的思路。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博士生李陽。隨著該團隊的研究不斷深入，相信這些超柔軟有機電子器件將在生物醫(yī)學、可穿戴技術(shù)和智能皮膚等領域發(fā)揮出更多潛力，為人們的日常生活帶來更多便利與創(chuàng)新。
