Small: 祸兮福所倚——衣服的红酒渍中蕴含的柔性电子器件制造方法

随着5G技术的到来,一个属于大数据和物联网的时代到来。人们无时无刻不渴望着与数字世界有着更密切和频繁的互动。柔性可穿戴电子器件是实现人体与数字世界的真正无缝对接的关键技术,从而彻底革新人与物联网的交互方式。然而,当前柔性基底上的精密电路制造仍面临着很多巨大的挑战。例如,作为上游产品的柔性导电材料的生产仍然受限于大型的设备,复杂的工艺和昂贵的原材料,等等;特别是如何生产出耐用的导电基底来实现高性能的监测人体运动信息的传感器集成系统,是推动下一代服务于个人运动,健康,甚至医疗的新型可穿戴技术的关键所在。

目前商业化的导电纱线,由于纤维表面的金属涂层很容易被洗掉,限制了可穿戴设备的应用。然而,另一方面,我们的日常生活中,不小心溅在衣服上的咖啡,茶,或者红酒,都会在衣服上留下顽固的污渍,很难洗掉。为什么我们的导电层不能像白衬衣上的红酒渍,或者咖啡渍一样,牢固的在纤维表面结合呢?

近日,英国曼彻斯特大学材料学院刘旭庆课题组受此启发,应用广泛存在于红酒,红茶,和咖啡中的单宁酸作为界面层,通过辅助无电沉积的技术,生产出了适用于各种柔性电子器件的具有高导电性,高柔软性和高度耐用的导电纤维。不同于目前广泛研究的高度导电的柔性基底,他们在注重提高柔性基底的导电性的同时,更加关心导电性的提高对于柔性基底的柔软性的影响。因此,他们仔细的利用场发射扫描电镜来观察在微纳米尺度下,金属纳米颗粒的聚集状态以及形态的变化。他们惊喜的发现,沉积在柔性基底表面的金属颗粒随着时间的增长存在着类似肥皂泡的密集结构。而在凝聚态物理以及几何问题方面,英国开尔文爵士曾提出著名的开尔文模型来解释这一肥皂泡结构,并且这个古老的问题在工程方面有着广泛的应用,比如著名的2008年奥运会水上项目场馆是“水立方”。因此,刘旭庆课题组利用肥皂泡结构的模型,来控制纤维表面金属涂层的柔性和导电性,从来达到柔性导电材料在柔软度和导电性双向的完美平衡。因此,当他们把基于此技术生产的压力传感器贴合在人体手臂上时,能够精准的检测出人体的运动,且经过数千次的反复使用而不损坏。另外,通过丝网印刷技术,柔性的精细导电图案也能在成本低廉的单宁酸体系帮助下得以实现。

研究者们相信,此项研究将会为未来的柔性电子器件的发展带来崭新的思路,也为科学家们寻找高性能材料提供了一种逆向思维的研究方法。相关论文发表在Small (DOI:10.1002/smll.201902440)上,并于当期 Back Cover做简要介绍。