Nature Mater.：納米顆粒和彈性導體，怎麼來點創新？

最新 06-14

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智能可穿戴設備已經在逐漸改變我們的日常生活，它不僅提供硬體設備，更重要的是通過數據交換、雲端交互等應用進一步提高生活質量。這一新興領域的快速成長與柔性及可拉伸器件的開發是密不可分的。新穎的柔性電子器件（如感測器等）在消費電子市場、軍事、醫療健康等各個領域均表現出了極大的應用潛力，正因如此，諸如可貼附、可穿戴、可摺疊、可拉伸等柔性電子器件的研究備受國內外科研工作者的關注。

近日，日本東京大學的Takao Someya教授課題組在Nature Materials雜誌上發表文章，以含氟橡膠、氟表面活性劑、微米大小的銀薄片和甲基異丁基酮做油墨，印刷出高性能可拉伸的彈性導體。製備過程中原位形成的銀納米顆粒，保證了彈性導體的高電導率。該材料初始電導率高於4,000 S?cm-1（最高為6,168 S?cm-1），拉伸400%至原長度的5倍後，電導率仍可保持在935 S?cm-1。由於製備工藝簡單，與工業常用的印刷工藝高度兼容，該材料的應用前景一片光明。

Takao Someya教授。圖片來源：The University of Tokyo

Takao Someya教授課題組一直致力於智能仿生皮膚、超薄柔性電路、有機晶體管等領域的研究，多有開拓領域與革新認知之作，是公認的柔性器件研究領域大牛。

回到這篇文章，高性能可拉伸的彈性導體其製備過程總共分三步：Step 1，選擇油墨。氟橡膠因其優異的拉伸性能和環境穩定性而被選用，甲基異丁基酮可以溶解氟橡膠因而作為溶劑，再向其中加入和氟橡膠相容的非離子型高分子表面活性劑和微米大小的銀薄片。油墨的粘度為14.5?Pa?（剪切速率10 s-1），適用於模版、絲網和噴墨印刷等方法。Step 2，印刷，並隨後在80 ℃乾燥1小時。Step 3，升溫至120 ℃再加熱1小時。

整個過程看起來平淡無奇，但材料內部卻發生了讓人驚訝的變化。研究者發現經過印刷和後續的120 ℃加熱，彈性導體內部原位形成了銀納米顆粒（2-10 nm），並且均勻分散在氟橡膠中。這一現象在過去還從未見諸報道，就算是那些「配方」很相近的彈性導體研究中，也沒有發現過銀納米顆粒的原位形成。這又是為什麼呢？

印刷過程中會原位形成重要的銀納米顆粒。圖片來源：Nature Mater.

研究者通過對比實驗告訴了我們答案。他們在配方中去掉了表面活性劑（下圖c-e）、或去掉最後的120 ℃加熱步驟（下圖f-h），與正常步驟（下圖i-k）相比，所得到的產品中原位生成的銀納米顆粒大大減少。說明表面活性劑和120 ℃加熱步驟對於銀納米顆粒的原位生成至關重要。

表面活性劑及120 ℃加熱步驟對銀納米顆粒原位形成的影響。圖片來源：Nature Mater.

銀納米顆粒的存在對於彈性導體的導電性影響也至關重要。去掉了表面活性劑或去掉最後的120 ℃加熱步驟，都會使材料的初始電導率及拉伸（300%）後的導電率大幅降低。而且，銀納米顆粒也能改善材料的機械性能。

表面活性劑及120 ℃加熱步驟對材料電導率的影響。圖片來源：Nature Mater.

那麼，銀納米顆粒到底是如何形成的呢？作者排除了銀薄片直接帶入銀納米顆粒的可能。他們經過一系列實驗提出了可能的機制：銀薄片雖然沒有直接帶入銀納米顆粒，但是上面存在氧化銀（Ag2O），其中的銀離子（Ag+）擴散到了氟橡膠中；在隨後的乾燥及加熱過程中，氟表面活性劑將銀離子還原，形成銀納米顆粒。

說了這麼多，彈性導體有什麼實用價值呢？為了回答這個問題，研究者製造了全印刷式的彈性感測器網路，包括用彈性導體線連接的置於剛性基底上的溫度和壓力感測器。這樣一來，在材料整體被拉伸時，感測器部分就無需承受張力，這無疑降低了對感測器的要求。整個彈性感測器網路可以被置於可拉伸基材（比如織物）或者彎曲表面之上，並穩定的發揮感應器的功能——在拉伸不高於250%的情況下都能準確地感知溫度和壓力。