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纳米颗粒和弹性导体，怎么来点创新？

来源: X-MOL 2017-06-14 10:46:56

智能可穿戴设备已经在逐渐改变我们的日常生活，它不仅提供硬件设备，更重要的是通过数据交换、云端交互等应用进一步提高生活质量。这一新兴领域的快速成长与柔性及可拉伸器件的开发是密不可分的。新颖的柔性电子器件（如传感器等）在消费电子市场、军事、医疗健康等各个领域均表现出了极大的应用潜力，正因如此，诸如可贴附、可穿戴、可折叠、可拉伸等柔性电子器件的研究备受国内外科研工作者的关注。

近日，日本东京大学的Takao Someya教授课题组在Nature Materials 杂志上发表文章，以含氟橡胶、氟表面活性剂、微米大小的银薄片和甲基异丁基酮做油墨，印刷出高性能可拉伸的弹性导体。制备过程中原位形成的银纳米颗粒，保证了弹性导体的高电导率。该材料初始电导率高于4,000 S•cm-1（最高为6,168 S•cm-1），拉伸400%至原长度的5倍后，电导率仍可保持在935 S•cm-1。由于制备工艺简单，与工业常用的印刷工艺高度兼容，该材料的应用前景一片光明。

Takao Someya教授课题组一直致力于智能仿生皮肤、超薄柔性电路、有机晶体管等领域的研究，多有开拓领域与革新认知之作，是公认的柔性器件研究领域大牛。

回到这篇文章，高性能可拉伸的弹性导体其制备过程总共分三步：Step 1，选择油墨。氟橡胶因其优异的拉伸性能和环境稳定性而被选用，甲基异丁基酮可以溶解氟橡胶因而作为溶剂，再向其中加入和氟橡胶相容的非离子型高分子表面活性剂和微米大小的银薄片。油墨的粘度为14.5 Pa （剪切速率10 s-1），适用于模版、丝网和喷墨印刷等方法。Step 2，印刷，并随后在80 ℃干燥1小时。Step 3，升温至120 ℃再加热1小时。

整个过程看起来平淡无奇，但材料内部却发生了让人惊讶的变化。研究者发现经过印刷和后续的120 ℃加热，弹性导体内部原位形成了银纳米颗粒（2-10 nm），并且均匀分散在氟橡胶中。这一现象在过去还从未见诸报道，就算是那些“配方”很相近的弹性导体研究中，也没有发现过银纳米颗粒的原位形成。这又是为什么呢？

印刷过程中会原位形成重要的银纳米颗粒。

研究者通过对比实验告诉了我们答案。他们在配方中去掉了表面活性剂（下图c-e）、或去掉最后的120 ℃加热步骤（下图f-h），与正常步骤（下图i-k）相比，所得到的产品中原位生成的银纳米颗粒大大减少。说明表面活性剂和120 ℃加热步骤对于银纳米颗粒的原位生成至关重要。

表面活性剂及120 ℃加热步骤对银纳米颗粒原位形成的影响。

银纳米颗粒的存在对于弹性导体的导电性影响也至关重要。去掉了表面活性剂或去掉最后的120 ℃加热步骤，都会使材料的初始电导率及拉伸（300%）后的导电率大幅降低。而且，银纳米颗粒也能改善材料的机械性能。

表面活性剂及120 ℃加热步骤对材料电导率的影响。

那么，银纳米颗粒到底是如何形成的呢？作者排除了银薄片直接带入银纳米颗粒的可能。他们经过一系列实验提出了可能的机制：银薄片虽然没有直接带入银纳米颗粒，但是上面存在氧化银（Ag2O），其中的银离子（Ag+）扩散到了氟橡胶中；在随后的干燥及加热过程中，氟表面活性剂将银离子还原，形成银纳米颗粒。

说了这么多，弹性导体有什么实用价值呢？为了回答这个问题，研究者制造了全印刷式的弹性传感器网络，包括用弹性导体线连接的置于刚性基底上的温度和压力传感器。这样一来，在材料整体被拉伸时，传感器部分就无需承受张力，这无疑降低了对传感器的要求。整个弹性传感器网络可以被置于可拉伸基材（比如织物）或者弯曲表面之上，并稳定的发挥感应器的功能——在拉伸不高于250%的情况下都能准确地感知温度和压力。

全印刷式的弹性传感器网络。

带弹性传感器网络的手套。通过分析相连LED的亮度，可以轻易测得指间压力。

除了可穿戴设备，这种弹性导体还能用在柔性机器人身上。通过感应器和弹性导体的配合，柔性机器人的皮肤也能获得类似人类皮肤的感觉功能，这对于机器人的性能增强以及应用范围的拓宽有着重要意义。

——简评——

在弹性体中添加金属薄片甚至纳米颗粒，这思路称不上有多新颖。但如果纳米颗粒是“原位形成”的，形成方式之前还没有报道过，这就不一样了。讲清楚机理，将制备方法向工业上常用的工艺靠一靠，再做一两个看起来很酷的应用实例，一篇高分Nature子刊就出炉了。小伙伴们，有启发么？

材料学

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