相關工作以題目為“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)品的電子皮膚設備。因此，需要開發(fā)出可拉伸和可自修復的導體與有源電子模塊連接，在機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，讓導體同時具有高拉伸性、高導電性和自修復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合導體，并作為導電連接器件印刷到所需的目標基板或器件上。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電膜。作者發(fā)現(xiàn)不同重量比的AgFs與SHP的納米復合導體具有不同的導電性和力學性能，通過優(yōu)化的納米復合導體中材料的重量比例不僅能夠拉伸至1700％應變，而且還能保持599 S/cm的高導電率。同時，發(fā)現(xiàn)在SHP基質(zhì)中通過重排AgFs在拉伸應變下導電率出現(xiàn)增強的現(xiàn)象，最終在1700％應變作用下其最電導率可達到2579 S/cm。此外，還發(fā)現(xiàn)該納米復合導體具有一定的可拉伸性。

圖1.一種超塑性自熱納米復合導體的電性能和力學性能。

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

圖2.SHP封裝納米復合導體的結(jié)構(gòu)演變。

如圖3所示，納米復合導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中擴散的Ag+離子與SHP的羰基反應形成的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進行自對準和重排，納米復合導體中的滲透路徑的有效長度在拉伸后變短。

圖3.納米復合導體的微觀結(jié)構(gòu)和導電路徑。

圖4.應變SHP矩陣中AgFs-AgNPs自對準和重排的可視化。

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

圖5.納米復合導體的自修復性能。

鑒于該納米復合導體具有優(yōu)異的導電率、自修復性和超強的可拉伸性，作者將封裝有SHP層的DLC導體應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器人的手部運動。

圖6.基于可拉伸和自修復的強大的交互式人機界面。

小結(jié)

綜上所述，作者報道了一種由于SHP基體中導電粒子的重新排列而出現(xiàn)導電性自修復的現(xiàn)象。具有導電性和力學性的自修復納米復合導體在3500%的應變可拉伸下，其導電率最高可以達到3086 S/cm。此外，作者利用SHP組件制造的DLC在循環(huán)拉伸試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性，同時當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合導體和封裝層的自修復互連器件非常適用于強大的人機交互界面。

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.