20 年 2024 月 XNUMX 日
(Nanowerk聚光灯)复杂地安装在人体皮肤上的电子设备长期以来一直吸引着科学想象力,并通过承诺人与机器的无缝融合而吸引了专家。这种紧贴皮肤的电路可以解锁前所未有的敏锐度的医疗传感器或连接到神经系统的仿生肢体。然而,尽管经过数十年的努力研究,材料不足仍然阻碍了这一愿景的实现。现在,中国材料科学家团队报告了在制造适合安装柔性电子产品的组织薄膜方面取得的突破。出版于 先进材料 (“用于超共形透明电子皮肤的芳纶纳米电介质”),南开大学的研究人员详细介绍了他们定制的“芳纶纳米介电”聚合物层(称为 AND),它独特地将纳米级厚度和翼状柔韧性与对热和化学应力的耐受力结合在一起,而热和化学应力会破坏更脆弱的薄膜。 AND 薄膜的厚度仅为 100 纳米(比人的头发细数千倍),兼具高强度和易于粘附在皮肤上的特点。它们还透明、透气,可以承受超过 300°C 的温度。
基于 AND 的超顺应电子器件演示。 a)芳纶纤维的分层结构。 b)器件的制造和自分层过程的示意图。 c) 在 3 英寸硅晶圆上制造的 AND 上的器件照片。 d) 照片显示 AND 的自分层过程。 e,f) 基于 AND 的超共形电子器件的照片,转移到 e) 人体皮肤和 f) 叶子上。 (经 Wiley-VCH Verlag 许可转载)“对于生物电子学等新兴应用,与局部表面的共形接触可以实现精确的信号采集和舒适度,”南开大学材料科学家、资深作者朱健博士解释道。 “我们的 AND 薄膜可以使类皮肤电子产品能够紧密适应人类皮肤复杂的拓扑纹理。”电子产品与人体生理学无缝融合的愿景推动了数十年来的热情研究。也被称为‘表皮电子学”,这个概念在 2011 年突然进入大众视野,当时伊利诺伊大学的生物医学工程师约翰·罗杰斯 (John Rogers) 推出了“表皮临时转移纹身”设备,该设备可以直接粘贴在皮肤上,感知运动和心率。但这种早期设计面临着局限性,例如长期使用过程中可能会刺激皮肤。关键的挑战是设计足够薄且耐用的材料,可以支撑电子元件,同时在皮肤上难以察觉地弯曲。弹性体提供拉伸性,但透气性极低。聚对二甲苯等聚合物薄膜作为绝缘体表现出色,但在纳米尺度上处理起来很麻烦。其他选择(例如聚酰亚胺)需要使用不稳定的牺牲层进行复杂的化学处理。南开大学的研究人员采用了一种非常规的方法,从芳纶聚合物中提取纳米电介质,这种材料与凯夫拉尔防弹背心中使用的材料相同。他们将电影称为“AND”。 “我们的芳纶纳米电介质作为未来类皮肤电子产品的电介质具有广阔的前景”,朱说。该团队将芳纶剥离成仅 10 纳米宽的纳米纤维,然后将其旋涂成定制厚度的薄膜。聚合物链内非常强的分子间键合增强了粘附力和耐热性,同时保持层极薄。 AND 还可以是透明且可渗透水蒸气的,这使其成为透皮生物传感贴片的理想基材。 “AND 薄膜机械强度高,但柔顺、光滑且透明”朱说。 “它们还具有化学惰性,在高达 300°C 的温度下保持热稳定性,并且无需蚀刻溶剂即可从加工基材上自行拆卸。”为了证明现实世界的可行性,研究人员使用 AND 薄膜构建了两种截然不同的设备。一是用于精确监测电生理信号(如肌电图和心电图)的防汗电极。另一个是灵活的 场效应晶体管微处理器 足够薄,可以包裹住人类的头发,而不会降低性能。即使测试对象大量出汗或洗澡,带有 AND 薄膜的安装在皮肤上的银纳米线电极也能成功记录肌肉和心脏活动。传统的凝胶电极在汗水降低电导率的情况下会失效。研究人员将卓越的性能归因于透气性和防止探测器下方汗液积聚的性能。定量测量表明,100 nm AND 薄膜的水蒸气透过率超过露天暴露的 90%。同时,AND薄膜同时作为栅极电介质和衬底的毛发拥抱场效应晶体管表现出优异的电子特性,例如低至4V的低压工作、40 cm的迁移率2/Vs,开/关比超过 100,000。它们能够承受比人类头发还小的周长的极端弯曲,而没有明显的损坏或性能下降。 “超柔性晶体管在缠绕在人类头发上时可以正常工作,而不会降低性能,”朱指出。朱声称,大多数现有的皮肤电子设备都依赖于非标准纳米制造技术,这些技术过于定制,无法大规模制造,这对于主流医疗采用至关重要。但 AND 薄膜对传统光刻工作流程的适应性克服了这一障碍。 “我们的晶圆级方法能够实现大规模生产并与现代电子制造方法集成,”他解释道。尽管在患者受益于柔性电子产品带来的进步之前,还需要做更多的工作,但朱的语气显得温和乐观。 “我们预见芳纶纳米电介质将改变下一代微型医疗设备和仿生学,”他说。 “将这项技术从科幻小说领域带入临床现实可能会对人类健康产生深远影响。
– Michael 是皇家化学学会三本书的作者:
纳米社会:突破技术边界,
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