Science：皮肤电子设备出炉！开发出高导电的弹性纳米膜

2021年8月28日讯/生物谷BIOON/---“皮肤电子设备（skin electronics）”是可以安装在皮肤上的薄而灵活的电子产品。虽然这听起来像是科幻小说中的东西，但预计不久之后，这类设备将在健康监测、健康诊断、虚拟现实和人机界面等广泛的应用中发挥作用。 构建这样的设备需要柔软和可拉伸的组件，以便与人类皮肤机械地兼容。皮肤电子设备的重要组成部分之一是内在的可拉伸导体，它在设备之间传输电信号。为了实现可靠的操作和高质量的性能，需要一种具有超薄厚度、类似金属的导电性、高拉伸性和易于图案化的可拉伸导体。尽管进行了广泛的研究，但迄今为止还没有开发出一种同时拥有所有这些特性的材料，因为它们之间往往有取舍的关系。

在一项新的研究中，韩国基础科学研究院的Hyeon Taeghwan和Kim Dae-Hyeong教授及其研究团队公布了一种制造纳米膜形式的复合材料的新方法，该复合材料具有上述所有特性。这种新的复合材料由金属纳米线组成，这些金属纳米线在超薄橡胶膜内以单层形式紧密地排列。相关研究结果发表在2021年8月27日的Science期刊上，论文标题为“Highly conductive and elastic nanomembrane for skin electronics”。

这种新型复合材料是使用该研究团队开发的一种称为 “浮动装配法（float assembly method）”的工艺制成的。浮动装配法利用了马拉高尼效应（Marangoni effec），这种效应发生在具有不同表面张力的两个液相中。当表面张力存在梯度时，就会产生从表面张力低的区域流向表面张力高的区域的马拉高尼流（Marangoni flow）。这意味着将表面张力较低的液体滴在水面上会降低局部的表面张力，由此产生的马拉高尼流使滴下的液体在水面上薄薄地扩散。

这种纳米膜是用浮动装配法制造的，它包括一个三步过程。第一步是将一种复合溶液---金属纳米线、溶解在甲苯中的橡胶和乙醇的混合物---滴在水面上。由于其疏水特性，甲苯-橡胶相保持在水面之上，而金属纳米线最终停留在水相和甲苯相的界面上。这种复合溶液中的乙醇与水混合，降低了局部的表面张力，从而产生了向外传播的马拉高尼流，阻止了金属纳米线的聚集。这使这种纳米材料在水和非常薄的橡胶/溶剂膜之间的界面上聚集成单层。在第二步中，表面活性剂在滴入后产生第二波马拉高尼流，使金属纳米线紧紧地压实。最后，在第三步中，甲苯被蒸发，得到一种具有独特结构的纳米膜：高度压实的单层金属纳米线部分嵌入超薄橡胶膜中。

本研究的纳米膜制备过程，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abh4357。

它的独特结构允许在超薄橡胶膜中进行有效的应变分布，从而获得优异的物理性能，比如超过1000%的伸展性，而厚度仅为250纳米。该结构还允许纳米膜彼此之间的冷焊接和双层堆叠，这导致了超过100000 S/cm的类似金属的导电性。此外，这些作者证实该纳米膜可以用光刻技术进行图案化，而光刻技术是广泛用于制造商业半导体设备和先进电子产品的一项关键技术。因此，预计该纳米膜可以作为皮肤电子设备的一种新的平台材料。

这项研究的意义可能远远超出皮肤电子设备的发展。虽然这项新的研究展示了由苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）橡胶内的银纳米线组成的复合材料，但也有可能将浮动装配法用于各种纳米材料，如磁性纳米材料和半导体纳米材料，以及其他类型的弹性体，如热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SIS）。因此，预计浮动装配法可以开辟新的涉及各种类型的具有不同功能的纳米膜的研究领域。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Dongjun Jung et al. Highly conductive and elastic nanomembrane for skin electronics. Science, 2021, doi:10.1126/science.abh4357.