進入二十一世紀以來，柔性可拉伸電子器件取得了飛速的發展與突破並廣泛應用於各個領域，例如：醫療健康、智能感知、虛擬/增強現實和軟機器人等。高性能、多功能的可拉伸電子器件離不開大量的集成電路芯片（IC）。然而這些無機剛性ICs的引入往往伴隨着器件延展性犧牲，同時剛性ICs與柔性基底之間的力學失配也會使器件拉伸過程中的可靠性大打折扣。因此，保證拉伸過程中ICs與柔性電路之間的穩定結合尤為重要。另一方面，除了功能特性之外，可拉伸電子器件的安全性與舒適性也正在成為人們關注的熱點，無論是材料本身還是其成型後基底的力學性能、透氣性等都會對穿戴者的體驗造成重要影響。因此，研究人員們一直在努力探索性能卓越、安全舒適、穩定可靠的可拉伸電子器件製造方案。
針對上述挑戰，中國科學技術大學趙剛課題組提出了一種力學梯度的策略來製備出包含剛性ICs的高性能可拉伸電子器件。該方案以靜電紡絲製備的熱塑性聚氨酯（TPU）薄膜作為基底，模板印刷的液態金屬（LM）電路作為柔性互聯導體，然後使用PVA溶液將剛性的ICs固定在LM電路上。這是一種從剛性（ICs）-高彈性模量（PVA膠）-低彈性模量（TPU納米纖維膜）-液態（LM電路）的力學梯度策略，其可以有效的引導器件拉伸過程中的變形梯度，從而維持剛柔接口的穩定性。我們通過有限元分析（FEA）和顯微觀察（SEM）的方法證明了力學梯度理論的科學性。最終，我們獲得了安全、舒適且超級可拉伸（>900%）的高性能柔性電子器件，並且進一步驗證了其在智能傳感、人機交互和柔性顯示等領域中的應用。相關工作以「Mechanical Gradients Enable Highly Stretchable Electronics Based on Nanofiber Substrates」為題，發表於ACS Applied Materials & Interfaces。中國科大信息學院博士生王蒙、碩士生王凱為論文並列第一作者。本研究得到國家重點研發計劃等項目支持。
圖1柔性可拉伸電子器件的製作流程及其應用領域。（a）柔性可拉伸電子器件的製作流程（b）柔性可拉伸電子器件的應用領域。
圖2 可拉伸電子器件的材料組成與結構。（a）不同材料的薄膜：TPU納米纖維膜（TPUNM）、聚乙醇膜（PVAM）、LM/TPUNM、填充了PVA的TPUNM（PVA/TPUNM）,（b）由PVAM、LM和TPUNM組成的三層結構，（c）IC與LM電路結合處的結構，（d-f）TPUNM（d）、LM（e）、PVAM（f）的SEM圖像，（g）三層結構的SEM圖像：TPUNM（上）、LM（中）、PVAM（下），（f）填充了PVA的TPUNM的截面的SEM圖像，（i）結合點上表面的SEM圖像。
圖3 可拉伸電子器件的機電特性。（a）TPUNM、LM/TPUNM、PVAM和PVA/TPUNM的單軸拉伸性能（插圖為PVAM和PVA/TPUNM應力應變曲線的放大圖）,（b）TPUNM循環拉伸響應（應變：100%），（c）單軸拉伸過程中LM/TPUNM電阻變化率與應變的關係曲線，（d）簡化的可拉伸電子器件（插圖為器件未封裝時的照片），（e）簡化器件的電阻與應變關係，（f，g）50%（f）和100%（g）應變下循環拉伸中樣品的應力與電阻響應行為，（h）器件的疲勞響應特性。
圖4 剛柔結點的穩定性機制分析。（a）FEA中使用的3D模型，（b）器件被拉伸40%時的相對變形分布，（c）ICs與LM連接處的相對變形分布（d）基底相對變形沿着中心線的分布曲線，（e）剛柔連接點的邊緣（i）與中心（ii）的SEM圖像:未拉伸（e）、拉伸至100%（f）、50個應變為100%的拉伸循環後（g）。
圖5 可拉伸溫度傳感與加速度傳感模塊應用示例。（a）可拉伸溫度傳感模塊監測人體腋下溫度示意圖,（b）溫度傳感模塊採集到的兩個受試者跑步過程中的體溫變化，（c）加速度傳感模塊用於人機交互設備示意圖，（d-e）受試者佩戴加速度傳感模塊控制計算機中模型飛機的姿態：水平（d）、向上（e）、俯衝（f）、右傾（g）、左傾（h）。
圖6 可拉伸LED顯示器。（a）可拉伸LED顯示器的照片,（b，c）可拉伸LED顯示器顯示0（b）和1（c），（d）可拉伸LED顯示器的電路結構圖，（e，f）可拉伸LED顯示器被橫向拉伸100%，（g，h）可拉伸LED顯示器被縱向拉伸100%，（i）可拉伸LED顯示器被雙向拉伸100%。
原文鏈接
M Wang#, K Wang#, C Ma, PC Uzabakiriho, X Chen, G Zhao*. Mechanical Gradients Enable Highly Stretchable Electronics Based on Nanofiber Substrates. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022, acsami.2c10245.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c10245
趙剛教授團隊主要致力於多尺度生命材料（活細胞、組織和器官等）的低溫保存研究、生物醫學儀器和微納系統（如：仿生3D生物微環境、納米發電機、柔性傳感器等）的研發。相關研究成果發表在Science Advances, Advanced Science, Nano Energy, Small, ACS Nano, Nano Letters等期刊。現為美國華盛頓大學附屬教授、安徽省生物醫學工程學會副理事長、安徽省生命資源保存與人工器官工程技術研究中心副主任。曾任國際低溫生物學會常務理事、日本學術振興會外國人特別研究員。擔任國際期刊Biopreservation and Biobanking編委、Frontiers in Physics和CryoLetters等客座編輯。
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