對(duì)可穿戴和植入式電子產(chǎn)品的需求促進(jìn)了各種先進(jìn)材料，智能設(shè)備和工程方法的發(fā)展。因此，皮膚機(jī)械兼容的傳感器和執(zhí)行器已被廣泛報(bào)道，并且其應(yīng)用潛力腦/機(jī)械界面和軟機(jī)器人高韌性的可伸縮電極在將各種器件集成在一起以支持大機(jī)械變形下的功能方面起著至關(guān)重要的作用。 蛇形，網(wǎng)格和微裂紋等多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已被用于減少機(jī)械應(yīng)變下的電導(dǎo)率降低。迄今為止，可伸展的薄膜金屬電極，特別是金電極通常沉積在聚二甲基硅氧烷基底上。但具有一些局限性，如對(duì)骨折/缺口敏感，界面粘連性差以及缺乏自愈能力。因此，薄膜可拉伸金電極中解決這些限制是有意義的。與自我修復(fù)的復(fù)合電極相比，制造可拉伸，自愈和斷裂不敏感的皮膚感應(yīng)薄膜金電極。顯然，符合嚴(yán)格的與皮膚感應(yīng)薄膜電極機(jī)械性能相關(guān)的要求的材料很少見(jiàn).

    近日，斯坦福大學(xué)鮑哲南院士和 新加坡南洋理工大學(xué) 陳曉東（共同通訊作者）課題組在JACS上發(fā)表了題為“Quadruple H-Bonding Cross-Linked Supramolecular Polymeric Materials as Substrates for Stretchable, Antitearing, and Self-Healable Thin Film Electrodes” 的文章。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了通過(guò)縮聚的超分子聚合物材料的從頭化學(xué)設(shè)計(jì)，其由軟聚合物鏈（聚四亞甲基二醇和四甘醇）和強(qiáng)而可逆的四重氫鍵交聯(lián)劑（0至30摩爾％）。前者有助于形成SPM的軟區(qū)域，后者為SPM提供理想的機(jī)械性能，從而生產(chǎn)柔軟，可拉伸但又堅(jiān)韌的彈性體。觀察到所得到的SPM-2具有高度可拉伸性（高達(dá)17000％應(yīng)變），韌性（斷裂能？30000J / m2）和自修復(fù)性，這是非常理想的性能，并且優(yōu)于先前報(bào)道的彈性體和強(qiáng)韌的水凝膠。此外，沉積在該SPM基底上的金薄膜電極保持其導(dǎo)電性，并將高拉伸性（？400％），斷裂/缺口不敏感性，自修復(fù)和與金膜的良好界面粘合性結(jié)合。同樣，這些性能與常用的基于聚二甲基硅氧烷的薄膜金屬電極都是高度互補(bǔ)的。最后，研究人員繼續(xù)通過(guò)肌電圖信號(hào)的體內(nèi)和體外測(cè)量來(lái)證明我們制造的電極的實(shí)際效用。從調(diào)查這些SPM獲得的這一基本理解將促進(jìn)智能軟材料和柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展。

    圖文速遞

    圖1 晶粒結(jié)構(gòu)與加氫壓力關(guān)系圖

    （a）具有不同量的UPy交聯(lián)以調(diào)整機(jī)械性能的SPMs-0-3的化學(xué)結(jié)構(gòu)；（b）高度可伸展的SPM的擬議機(jī)制的卡通表示；（c）用DMF作為洗脫劑和PMMA作為標(biāo)準(zhǔn)的SPMs-0-3的GPC洗脫曲線(xiàn)，表明所有聚合物的Mn和PDI分別是可比較的和相對(duì)較窄的； （d）體散射SPMs的SAXS曲線(xiàn)圖，支持3.7至5.2nm微相分離的存在；（e）通過(guò)時(shí)間 - 溫度疊加（TTS）移位的SPM的主曲線(xiàn)；

    圖2 SPM的機(jī)械特性。

    （a）拉伸至17000％前后SPM-2試樣照片。紅色箭頭顯示拉伸的樣本在哪里；（b）具有不同交聯(lián)密度的SPMs-0-3的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線(xiàn)，其對(duì)機(jī)械性能具有顯著的影響；（c）SPM-2在不同變形率下的拉伸行為在50至1000mm / min的范圍內(nèi)；（d）SPM-2對(duì)最大應(yīng)力，斷裂應(yīng)變和楊氏模量的變形率依賴(lài)性；（e）在100mm / min的變形速率下，在200％的應(yīng)變下SPMs-1-3的循環(huán)拉伸試驗(yàn)；（f）SPM-3的無(wú)缺口和缺口樣品的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線(xiàn)；（g）作為SPMs的UPy量的函數(shù)的斷裂能量；（h）受損和愈合的SPM-2膜的光學(xué)顯微鏡圖像；（i）原始和自我修復(fù)的SPM-2樣品經(jīng)過(guò)三個(gè)不同愈合時(shí)間（6-24小時(shí)，然后在室溫下48小時(shí)）的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線(xiàn)；

    圖3 具有缺口不敏感特性的高度可拉伸薄膜金電極。

    （a）可拉伸薄膜金電極在不同聚合物基材上的拉伸性比較；（b）具有缺口的SPM-2電極和PDMS電極的可拉伸性比較。插圖是由有限元法進(jìn)行的機(jī)械模擬，以顯示由切口引起的應(yīng)變放大效應(yīng)；（c）通過(guò)有限元模型計(jì)算的切口尖端的應(yīng)變集中。由缺口引起的應(yīng)變集中遠(yuǎn)大于所施加的實(shí)際拉伸應(yīng)變；（d）用光學(xué)圖像來(lái)說(shuō)明具有凹口的基于SPM-2的可拉伸薄膜金電極的拉伸狀態(tài)；（e）作為比較示出了基于PDMS的光學(xué)圖像；（f-h）原位SEM圖像以揭示SPM-2可拉伸薄膜金電極的機(jī)理；

    圖4 可拉伸薄膜金電極的自愈性能。

    （a）愈合前后的切割金膜的光學(xué)顯微鏡圖像；（b）電阻變化對(duì)拉伸應(yīng)變的影響，以顯示愈合的可拉伸薄膜金電極的可拉伸性；（c）在（d）中的橫截面視圖中示出了圖示以顯示膜的愈合前后狀態(tài)以及通過(guò)有限元法對(duì)聚合物基材的相關(guān)機(jī)械模擬，以機(jī)械地示出切削刃處的彎曲過(guò)程；（e）中的頂視圖，以說(shuō)明在25％拉伸應(yīng)變下愈合后的應(yīng)變分布。更多的應(yīng)變集中在減少金屬膜拉伸性的傷疤上； （f）切割的金膜和聚合物基材的橫截面的光學(xué)圖像；（g）（f）中相同樣品的SEM圖像。插圖顯示放大的SEM圖像；（h）愈合電極的頂視圖的SEM圖像。上部插圖顯示了愈合電極的卡通模型，底部插圖顯示了愈合電極的橫截面；

    圖5 電極的高粘附性和皮膚上和體內(nèi)肌電圖檢測(cè)。

    （a）粘附測(cè)試過(guò)程的光學(xué)圖像；（b）與基于PDMS和不可拉伸電極的電極相比，SPM-2基電極的粘附強(qiáng)度；（c）皮膚上肌電圖檢測(cè)的草圖；（d）檢測(cè)到典型的EMG信號(hào)；（e）（d）中EMG信號(hào)的能譜分析；（f）植入了SPM-2基可拉伸薄膜金電極的大鼠的側(cè)視圖；（g）典型的皮下肌電信號(hào)；（h）（g）中EMG信號(hào)的頻譜分析。

    總之，描述了一種分子設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)可拉伸，抗拉和自修復(fù)金屬薄膜電極。結(jié)果表明，可伸縮薄膜電極的功能可以通過(guò)聚合物基材的化學(xué)設(shè)計(jì)顯著增強(qiáng)。具體而言，應(yīng)用超分子聚合物設(shè)計(jì)原理通過(guò)四重UPy氫鍵合成動(dòng)態(tài)交聯(lián)SPM。得到的SPM在聚合物網(wǎng)絡(luò)中含有多個(gè)內(nèi)部和鏈間氫鍵以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的機(jī)械性能。隨后，從SPM基底制造的薄膜金電極具有優(yōu)異的固有導(dǎo)電性和獨(dú)特的力學(xué)行為。電極具有很多非常理想的參數(shù)，可以組合成單個(gè)薄膜電極，這些電極包括高拉伸性，自愈性，缺口不敏感性和界面粘附性。最后，這種可拉伸電極成功地顯示出測(cè)量人體皮膚（體外）和植入活體大鼠（體內(nèi)）中的EMG信號(hào)。這些演示清楚地表明，SPM支持的薄膜金電極可能用于制造下一代可穿戴和植入式電子器件。

    全文鏈接：

    https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b01682

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