基于聚合物纳米复合材料网柔性电子设备的发展与挑战

来源：材料科学前沿

柔性电子器件是指在弯曲、折叠、压缩或拉伸期间仍可以正常工作的电子设备，有出色的耐磨性，柔韧性，同时具备各种应用（包括触摸屏、医疗保健监测、电子皮肤、能量收集和存储设备和可植入生物电子学），它对人们的日常生活产生深远的影响。全球越来越多的科学家致力于改善柔性电子设备的结构、功能和性能。使用柔软的材料和设计特殊的几何结构是构造优异电子设备两种主要的策略。现有柔性电子器件通常基于无机/有机复合物，例如金属，金属氧化物半导体、碳材料和聚合物，其中具有独特的π共轭结构的导电聚合物，由于其可调节的电子性能，溶液加工性和优异的性能而引起了人们的极大兴趣。并且聚合物可以轻松的被设计成种二维（2D）或三维（3D）微观/宏观几何结构构造，例如多孔、纤维、机织、盘绕、网状、波浪形和其他分层图案化配置。而网状结构在设计高性能、超薄超轻、可穿戴电子设备时发挥重要作用。此外，纳米级的导电材料可加强其柔韧性和电性能。在近几年，结合软聚合物材料和活性纳米材料制备高性能聚合物纳米复合网状电子设备越来越热门，并为基于网格的聚合物纳米复合电子材料的新途径打下了坚实的基础（图1）。

北京化工大学张立群、万鹏博团队在《Progress in Polymer Science》期刊上发表综述"Polymer Nanocomposite Meshes for Flexible Electronic Devices"，在文章中，作者首先介绍了制备聚合物纳米复合材料网的4种方法、机理、相关器件性能以及最新进展。最后，作者讨论了基于聚合物纳米复合材料网状柔性电子设备的未来，这为促进聚合物纳米复合材料的设计，组装具有出色的表演,灵活性、兼容性、和环境友好的可穿戴电子设备提供了基础指导。

【论述过程展示】

1.聚合物纳米复合材料网的材料设计和合成方法

a. 天然聚合物纳米复合材料网格（图2a）:天然高分子材料是可再生资源，其物理和化学性质可被调节，同时具有生物相容性，生物降解性和成本效益。一些天然聚合物纤维经过特殊处理可以形成网状结构，这些网格可以充当被动或主动构建块，用于设计和集成超柔韧性，可穿戴，生物相容性，透气性，可扩展性和高性能的电子设备。

b. 静电纺丝（图2b）:在静电纺丝中，具有直流电的高压电源充当驱动力以克服带电聚合物的表面张力，该表面张力随后由于静电排斥而拉伸成纤维。通过优化溶液性质和静电纺丝的操作处理参数，能够轻松调节其结构诱导的功能和性能。电纺聚合物网的性能也可以通过在纤维内部/外部封装功能剂（即纳米材料或生物分子）来改变，从而为网提供特定功能，例如生物相容性和导电性。

c. 原位聚合和沉积（图2c）:该方法主要涉及以下三个主要操作：聚合物的合成，将聚合物加工成纤维，以及将聚合物纤维组装成网。大多数导电聚合物网片是在聚合过程中通过溶液相合成通过纳米级模板和无模板方法生成的。

d. 光刻技术（图2d）：光刻技术是在大规模电子产品生产中制造集成电路的另一种广泛使用的策略。光刻工艺包括六个主要步骤，包括光致抗蚀剂涂层，软烘烤，曝光，显影，硬烘烤和蚀刻。最后，获得条状光刻胶。常用的光刻胶是含环氧结构的SU-8，用光处理时，环氧部分质子化，质子化的部分随后在加热下与中性环氧基反应形成牢固且热稳定的交联聚合物网络。其他区域不会发生交联，可以随后将其除去。可以通过控制暴露于紫外线辐射的面积，在支撑基板上制造网状支架。

图2, 用于获得柔性电子设备的聚合物网格的四种主要方法.

2.聚合物纳米复合材料网充当电子设备组件

接着，作者详细阐述与聚合物网格结构相关的机理及器件性能。然后，将聚合物纳米复合网状支架作为被动元件(如功能基底、模板、前体等)和主动元件(如纳米发电机的摩擦层、储能设备的电解液分离器、化学传感器的传感层) 以最具代表性的示例来详细描述高性能柔性电子设备的最新进展(图3)。

图3，聚合物网在柔性电子设备中的应用，包括皮肤电子设备，电子皮肤，能量收集设备，环境监测和可植入生物电子设备。

【挑战与未来】

作者认为尽管基于聚合物网格的电子技术取得了长足的进步，但是一些基本和技术挑战仍然有待解决：

1，根据应用设计性电子基板的功能是有挑战性的工作；

2，需设计并开发可生物降解的，生态友好的和生物相容性的聚合物网状基材；

3，为了避免外在愈合剂的复杂整合和相容性问题，需开发自修复聚合物；

4，需开发刺激响应性的聚合物以制造智能聚合物网状支架；

5，需优化用作电极聚合物材料的迁移率，导电性和稳定性，甚至赋予其可拉伸性，生物相容性和响应性。

6，随着基于软聚合物网格的电子产品的实际应用不断涌现，有关材料和设备的可靠性、可扩展性和成本效益的问题值得进一步研究。

作者提到，制造能够将传感器与多功能全范围检测、存储和数据传输组件等功能集成在一起的智能聚合物网状支架具有非常重要的意义。以此同时，未来的研究可能集中在开发具有快速启动、可控制成形向和复杂形状的3D结构配置的网状电子设备，该电子设备可以保形地覆盖器官的整个区域以进行全方向映射。

随着科学技术的蓬勃发展，新型聚合物材料与先进加工技术的结合为克服这些挑战带来了广阔的前景。实现可控的分子顺序和组成，更好地理解聚合物链结构与性能之间的关系以及开发高级几何结构至关重要。