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  柔、韌兼具，既像絲綢一樣貼合，又像橡膠一樣可展，是人們對于柔性電子設備無止境的追求。天津大學胡文平教授團隊與斯坦福大學鮑哲南教授團隊合作創(chuàng)造性地在目前廣泛使用的導電高分子材料（PEDOT:PSS）中引入第二重拓撲交聯(lián)網(wǎng)絡，使其材料力學和電學性能都大大提升，得到了目前導電性最優(yōu)的可拉伸、可光圖案化的柔性電極。經(jīng)過合理設計摻雜劑的拓撲結(jié)構(gòu)和化學結(jié)構(gòu)，得到的薄膜導電率相比于之前報道的策略提高了2個數(shù)量級，并且通過直接光固化工藝可制備微米級線寬電極陣列。3月25日凌晨，該成果以《基于超分子拓撲網(wǎng)絡的高導可拉伸有機生物電子》為題在線刊發(fā)于《科學》雜志，斯坦福大學鮑哲南教授、天津大學王以軒副教授為共同通訊作者。

  近年來，柔性電子設備由于其優(yōu)異的人體兼容性，受到了大量的關注。為了保證設備在運動過程中的穩(wěn)定運行，導電材料需要同時滿足高導電性和高拉伸性。高導電性是電子器件的運行基礎，而柔性及高拉伸性則保障了良好的組織貼合度和高信噪比。在此基礎上，如何在微納加工后仍可保持良好的力電性能，是柔性電子器件精密化的前提，同時也是多數(shù)柔性導體材料的瓶頸。

  針對這一問題，導電高分子材料（如PEDOT:PSS）得到了廣泛應用。然而，由于載流子傳輸需求（高規(guī)整度鏈段排列）與柔性需求（高鏈段自由度）難以兼顧，導電高分子材料的力電綜合性能始終難以突破。盡管關于可拉伸 PEDOT:PSS 的研究不勝枚舉，目前仍無法同時實現(xiàn)良好的本征可拉伸性、優(yōu)異的導電率，并用于高精度可拉伸器件的制備。

圖1 高密度可拉伸電極陣列雙模式運行示意圖

  在這項工作中，團隊創(chuàng)造性地在PEDOT:PSS中引入第二重拓撲交聯(lián)網(wǎng)絡，選擇了具有較高構(gòu)象自由度的“機械互鎖”幾何結(jié)構(gòu)，賦予了材料本征可拉伸性，并進一步優(yōu)化導電性和光圖案化性能，最終實現(xiàn)材料力學—電學綜合性能突破。經(jīng)過合理設計摻雜劑的拓撲結(jié)構(gòu)和化學結(jié)構(gòu)，得到的薄膜導電率相比于之前報道的策略提高了2個數(shù)量級，并且通過直接光固化工藝可制備微米級線寬電極陣列。

圖2 基于拓撲超分子網(wǎng)絡的可拉伸 PEDOT:PSS 示意圖

圖3 圖案化電極與皮膚貼合展示

圖4 可拉伸電極陣列與軟體動物（章魚）貼合展示

  這一前所未有的性能使得以前無法實現(xiàn)的應用成為現(xiàn)實。將對材料化學、生物醫(yī)學工程、柔性光電子等帶來深刻的影響。

  如在材料化學領域，這種設計策略可廣泛適用于聚合物材料的設計，特別是當試圖結(jié)合多種競爭性性能時，它可能會實現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法達到的獨特性能。

  從生物醫(yī)學工程的角度來看，首次實現(xiàn)了以前無法實現(xiàn)的應用，包括對柔軟生物體高分辨率的電生理監(jiān)測、通過腦干局部神經(jīng)調(diào)節(jié)來精確控制單個肌肉運動。以上多模態(tài)生物界面創(chuàng)新性應用，可擴展到人造軟體機器人、柔性腦機接口、腦外科手術(shù)術(shù)中持續(xù)檢測等多個領域。 

  而從柔性光電子的角度來看，該工作所實現(xiàn)的導電高分子的高導電性、可拉伸性和透明度的結(jié)合，可比作一種可拉伸的銦錫氧化物(ITO)。團隊預計，這種可拉伸透明導體將使許多可伸縮電路及相關應用成為可能，如發(fā)光二極管、太陽能電池、光電探測器和場效應晶體管等。

  文章信息：

  第一作者：Yuanwen Jiang, Zhitao Zhang, Yi-Xuan Wang, Deling Li

  通訊作者：Zhenan Bao, Yi-Xuan Wang

  通訊單位：斯坦福大學，天津大學

  https://doi.org/10.1126/science.abj7564