寧波材料所在柔性/彈性磁電功能材料與器件領(lǐng)域取得系列新進展
可穿戴與可植入設(shè)備是人體運動監(jiān)控、健康監(jiān)控以及人機交互等技術(shù)的基礎(chǔ)，在智慧醫(yī)療和智能機器人等萬億級產(chǎn)業(yè)上具有巨大的應(yīng)用前景，其發(fā)展趨勢是柔性化，乃至彈性化以及多功能化，發(fā)展柔性乃至彈性磁電功能材料與器件是核心與關(guān)鍵。然而，一般來說磁電功能材料多為金屬或氧化物等無機材料，其柔韌性差；柔性或彈性材料多為高分子材料，通常不具備磁電功能。如何將磁電功能材料柔性化或彈性化，或者將柔性或彈性材料功能化是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。為此，中科院磁性材料與器件重點實驗室磁電子材料與器件團隊圍繞導(dǎo)電和磁性等功能材料的柔性化和彈性化開展研究工作，在柔性和彈性磁電功能材料、導(dǎo)體與傳感器等方面取得了系列進展。
（一）大應(yīng)變的彈性導(dǎo)電材料和彈性加熱器件
可拉伸導(dǎo)電材料通常是將納米或微米量級的導(dǎo)電填料（石墨烯、碳納米管、金屬納米線/納米顆粒等）摻入到彈性聚合物中，通過分散復(fù)合或?qū)臃e復(fù)合等方法處理后得到的具有導(dǎo)電功能的多相復(fù)合體系。由于固態(tài)導(dǎo)電填料與彈性基體的彈性模量相差很大（約100萬倍），大應(yīng)變時構(gòu)成導(dǎo)電通路的填料顆粒間隙會發(fā)生明顯變化，造成導(dǎo)電性能不穩(wěn)定；此外，固態(tài)導(dǎo)電填料的大量引入會提高導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性，同時也會惡化其彈性，導(dǎo)致?lián)诫s量有限，因此它的導(dǎo)電性一般較差。如何獲得兼容高電導(dǎo)率、拉伸穩(wěn)定性和大應(yīng)變的彈性導(dǎo)體仍是一項挑戰(zhàn)。
為解決上述問題，博士生郁哲、尚杰研究員和李潤偉研究員等采用液態(tài)金屬作為導(dǎo)電填料，同時在導(dǎo)體內(nèi)構(gòu)建“葫蘆串”狀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來釋放應(yīng)變，進一步提高它的應(yīng)變穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該可拉伸導(dǎo)電材料的導(dǎo)電性能夠達到導(dǎo)體范疇（大于1000S/cm），并可以實現(xiàn)超過1000%的拉伸，更為重要的是，拉伸100%時電阻的波動小于4%，比傳統(tǒng)可拉伸導(dǎo)電材料電阻的變化率降低了2-3個量級，實現(xiàn)了可拉伸導(dǎo)體大應(yīng)變下的穩(wěn)定性。如圖1a所示。該成果以底封面文章發(fā)表在了Advanced Electronic Materials（Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1800137）上。進一步，采用上述可拉伸導(dǎo)電材料作為墨水，搭建了直寫式打印機，實現(xiàn)了此材料在彈性基底上的直接打印和圖案化設(shè)計，如圖1b所示，設(shè)計打印出的彈性加熱器件，具有良好的熱穩(wěn)定性。該項工作為柔性可穿戴電子器件制備提供了新的材料和技術(shù)。該成果發(fā)表在了Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol. 2018, 3, 1800435）上。
（二）綠色環(huán)保的可回收柔性紙基電路
柔性電路是一種創(chuàng)建在柔性基板上的特殊電路。目前其應(yīng)用還存在著兩大挑戰(zhàn)：一是疲勞特性差，多次循環(huán)應(yīng)變下易斷裂失效；二是不能循環(huán)利用，傳統(tǒng)焚燒、酸洗等回收方式污染環(huán)境。針對上述挑戰(zhàn)，博士生李法利、劉宜偉副研究員和李潤偉研究員等在紙上制備了液態(tài)金屬基柔性電路，替代傳統(tǒng)的銅、鋁、銀等電路，不僅解決了其彎折疲勞性差的問題，而且可回收（圖2為用回收前后的液態(tài)金屬制備的電路），實現(xiàn)了紙基電路在制造、使用、回收等全生命周期的綠色化。電路線寬在10μm-200μm間可調(diào)，且通過多達10000次的對折測試發(fā)現(xiàn)，該電路電阻的最大變化率僅為4%，具有很好的應(yīng)變穩(wěn)定性。此外，該紙基電路具有良好的散熱功能。實驗顯示，在液態(tài)金屬基紙基電路工作的LED燈相對于純紙表面的LED燈溫度有顯著降低。該工作為發(fā)展綠色可回收的柔性電路提供了新的方法，成果發(fā)表在了Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol. 2018, 1800131）上。
（三）數(shù)字化的柔性觸覺傳感器
讓假肢產(chǎn)生觸覺是眾多殘疾人的夢想，而電子皮膚正是這樣一種可以讓人體假肢產(chǎn)生觸覺的系統(tǒng)。但大多數(shù)的電子皮膚只能將外力刺激轉(zhuǎn)換成模擬信號，無法像人體皮膚一樣將外力刺激轉(zhuǎn)換成生理脈沖，并精確地傳送給神經(jīng)系統(tǒng)直至大腦。針對這一問題，博士生巫遠招、劉宜偉副研究員和李潤偉研究員巧妙地采用電感-電容（LC）振蕩機理設(shè)計電路（如圖3a），當外界應(yīng)力/應(yīng)變引起電感值發(fā)生變化時，LC電路的頻率就會發(fā)生變化，從而獲得外加應(yīng)力/應(yīng)變與頻率的對應(yīng)關(guān)系，進一步通過優(yōu)化LC共振電路，便可使其工作在人體的生理脈沖頻率范圍內(nèi)。此外，還設(shè)計了“Air gap”結(jié)構(gòu)（如圖3a），采用非晶絲作為磁芯提高其性能，獲得了靈敏度為4.4kPa-1、探測極限為10μN（相當于0.3Pa）的數(shù)字化柔性觸覺傳感器件（如圖3b），并且通過優(yōu)化傳感器的模量和結(jié)構(gòu)，可以兼容寬的探測范圍，既可感知微弱的蚊蟲和脈搏，亦可以感知搬舉重物時的壓力。該工作為發(fā)展數(shù)字化仿生電子皮膚提供了一種新的方法。該成果發(fā)表在了《科學(xué)》子刊Science Robotics（Sci. Robot. 2018, 3, eaat0429）上。
上述工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金（51525103）、科技部中日政府間國際合作項目（2016YFE0126700）、國家自然科學(xué)基金（61704177, 11474295, 61774161）和寧波市創(chuàng)新團隊（2015B11001）等項目支持。
圖1 (a)具有葫蘆串導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬可拉伸導(dǎo)體；(b)基于液態(tài)金屬可拉伸導(dǎo)體的彈性加熱片；(c)論文封面
圖2 用回收前后液態(tài)金屬制備的電路性能對比
圖3 (a)數(shù)字化柔性觸覺傳感器的原理圖；(b)傳感器分辨0.3Pa的微壓力；(c)器件隨壓力改變的脈沖響應(yīng)；(d)器件示意圖
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