柔性及可拉伸電子學是當前電子學領域的研究熱點,并且在柔性顯示器、電子皮膚、柔性傳感器以及可植入醫療器件等應用方面取得了進展。各種柔性及可拉伸電子器件的構筑過程中,必須依賴于不同形變條件下仍保持良好導電能力的彈性導電體的連接,因此超高彈性導線的制備成為發展柔性電子器件的關鍵。近年來,研究者制備彈性導電體的主要方法是將導電材料構筑成可釋放預應變的形狀結構,一方面可借助柔性襯底將各種導電材料構筑成波紋狀;二是直接通過微加工如光刻、電子束沉積的方法進行構型。雖然取得了一定的成效,但是上面所述方法仍存在耗時及難以量產的缺點,而且所制備的彈性導電體大多只能在中等的應變范圍內(<200%)保持良好的導電能力。
近期,中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員孫靜帶領的科研團隊成功地制備了具有超高彈性(>500%)的高電導率彈性導電纖維,該彈性導電纖維在各種苛刻的外力變形條件下仍能夠保持優異的導電能力,在柔性電子領域具有廣闊的應用前景。該項工作發表于期刊ACS NANO,已申請中國發明專利一項。
該研究團隊采用了雙層螺旋包覆紗為彈性支架材料,通過浸漬涂布的方法將銀納米線均勻包覆于棉纖維的表面作為導電材料,所得的彈性導電纖維電導率可以高達4000 S/cm,并且在拉伸至500%的應變條件下,電導率仍然可以保持在688 S/cm。在循環變形測試下,1000次200%應變拉伸變形后,電導率穩定在188 S/cm。1000次彎曲變形后,電導率則一直保持穩定不變。在應用展示中,該研究團隊利用彈性導電纖維作為導線系統,將LED陣列直接集成組裝在柔性聚合物基底上,得到的LED陣列在拉伸、彎曲等各種變形下都能夠保持穩定工作,充分顯示了該彈性導電纖維在大面積柔性電子學領域的應用潛力。該研究團隊還通過小鼠背部皮下的植入實驗,證明了該彈性導電纖維的生物兼容性,為其在可植入柔性器件領域的應用奠定了基礎。
該工作一經發表便引起國際關注,Science在近期科技新聞頁面中做了專題報道。
該項工作得到了國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金委、上海市自然科學基金委和中國科學院上海硅酸鹽研究所創新項目的資助。
左圖:不同銀納米線含量的彈性導電纖維在拉伸測試中電導率變化;右圖:利用彈性導電纖維作為導電連接組裝的柔性可拉伸LED陣列。
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