新国大年夜团队建构液固双层可拉伸导体不易出现裂纹和明显电学衰减

对付柔性可拉伸生物电子来说，一个很主要的组成部分便是可拉伸导体。

“弹性砖头”可以联合其他材料构建诸多的“功能单元”，比如传感器、换能器、通讯模块、电路和连接线，末了建成整座“大厦”。

目前在制备“弹性砖头”时，人们普遍基于弹性体、以及铜、银、碳等各种传统固态导电微纳材料的复合。

这些固态导电材料本身不具有拉伸性，虽然这种“弹性砖头”在弹性聚合物的帮助之下，能够承受一定的应力或应变。
但是，经由长期或剧烈的应力应变, 比如上万次伸缩或者 2 倍以上拉伸，“弹性砖头”就会产生很多微裂纹，导致电学断裂或物理断裂，终极引发“功能单元”或“全体大厦”的瘫痪或倒塌。

同时，这些可拉伸导体和传统固态微电子的连接也面临着巨大寻衅。
传统的焊锡高温焊接并不适用于这种软-硬连接，由于软电子既不耐高温，和焊锡也不兼容。

而基于聚合物的导电胶，固然能和软电子兼容，但是难以实现风雅微焊接。
对付接口来说，它也随意马虎在长期或剧烈力学刺激之下，涌现类似的裂纹和电学断裂。

后来人们开始从液态金属身上探求方案。
液态金属——之以是拥有这样的名字组合，是由于它既拥有固态金属的导电性，也拥有液体的流动性。
因此，它本身具有变形的能力。

比如，大家熟知的水银汞便是液体金属的范例代表，而我们采取的是另一种生物安全性更好的镓铟合金。
如果利用液态金属材料去代替固态导电材料构建“弹性砖头”，虽然有望办理上述问题，但是液态金属存在一些很难驾驭的特点，那便是它有着较大的表面张力和一定的氧化能力。

液态金属就像一个超级爱动的“小朋友”，很难乖乖让它按照某个姿态待在某个地方。
当把液态金属块体碎成很多小颗粒，颗粒表面会产生一层氧化物，虽然有利于操控也能阻碍进一步氧化，但会导致整体不导电。

以是，针对长期或剧烈力学刺激的稳定性问题、以及软-硬连接的问题，目前基于液态金属的可拉伸导体，都尚未得到很好的办理方案。
正是基于上述背景，新加坡国立大学博士后陈书文和同事造出了一种液固双层可拉伸导体。

图 | 陈书文（来源：陈书文）

构建液固双层可拉伸导体，无惧上万次伸缩和 22 倍拉伸

这种液固双层可拉伸导体，基于液态金属、液态金属颗粒和弹性聚合物。
制备时，并不是一层层地平铺实现，而是在剥离过程中自动形成的。

在液固双层可拉伸导体原材料上，课题组采取液态金属微纳颗粒和高极性弹性体的复合油墨配制而来，它可以和很多基底兼容，因此很随意马虎对其加以操控，印刷成形之后是一层绝缘的复合物。

将带有先驱体的基底从粘性胶上剥离时，在剥离过程中产生的应力，会自动使令这种单层绝缘体向双层导电体转变。
从而形成一种分外构造：上层是液态金属膜，下层是固态复合物。
个中：

上层的液态金属膜有利于自动进行软-硬连接。
这时只需将固态电子放在液固双层可拉伸导体上面，按压之后固态电子引脚就会自动伸入上层液态金属膜之中，从而实现电学连接。

下层固态复合物则有利于稳定液固双层可拉伸导体和基底的连接。
因此即便历经上万次伸缩和 22 倍拉伸，液固双层可拉伸导体也没有涌现裂纹和明显的电学衰减。

（来源：资料图）

特殊故意思的是，当它受到刀伤涌现裂痕时，下层的液态金属颗粒会开始分裂，从而将里面的液态金属开释出来自动填补缺口，进而立即规复电学性能。

因此，液固双层可拉伸导体可以像皮肤一样软弹坚韧，既可以稳定地承受长期或剧烈的力学刺激，又可以方便快速地实现软-硬电子连接。

对付本次事情，审稿人认为和领域内的已有论文比较，本次论文的水平位于该类论文的前 15%。

审稿人之一认为课题组仅仅通过剥离就能得到这种奇特的液固双层可拉伸导体。
在它的电学性能上，它对付应力展现出了非常强的鲁棒性，这对付可拉伸电子来说十分有吸引力。

审稿人之二认为这种液固双层可拉伸导体兼具自焊接能力和自愈合能力，在大形变之下存在险些不变的电导率和电阻。

整体来看，这种液固双层可拉伸导体能用于构建加热器、无线系统、可拉伸传感器、可拉伸显示器、可拉伸加热器，进而构建基于可拉伸生物传感的人机交互系统等。

对付这种人机交互系统来说，个中一个很范例的运用处景便是用于监测心脏电生理图。

房颤，是一种常见的心律失落常，常日发生在心脏的心房部分。
当一个人发生房颤时，心房跳动不再遵照正常的有序办法，而因此不规则、且快速的办法跳动着，这可能导致心脏无法将血液充分泵入心室，增加患者涌现血栓、中风和其贰血汗管问题的风险。

对付严重型慢性房颤患者来说，特殊是药物治疗无效或已经涌现无法耐受的患者，年夜夫可能会建议进行电生理研究和溶解术，即通过电生理研究来确定非常的心脏组织，然后通过心脏溶解手术来摧毁或隔离上述组织，从而帮助规复心脏节律的正常。

而此前利用的传统方法常日涉及到导管技能，个中导管上的电极可被用于定位非常的电活动源，以帮助规复正常的心律。

这些导管电极由于空间分辨率极低，因此无法以高通量的办法，绘制心外膜的电生理状态，特殊是对付多点心外膜组织的非常定位存在很大寻衅。

而采取液固双层可拉伸导体，则能做成心脏大小的电极阵列网，铺在或套在心脏上进行全心脏的电生理监测，并且可以随着心脏跳动而发生适应性形变，助力于实现快速、高效、高分辨的定位非常组织。

“不能仅仅创造一些科学知识和工程知识”

那么，陈书文和同事启动本次事情的背后有着若何的来龙去脉？据先容，担当本次论文一作的她刚来到该团队时，根据课题组和自己的研究背景，将柔性可拉伸生物电子定位自己的研究方向。

此前，该团队曾利用注射液态金属进入导管，研发出一些风雅的纤维传感器。

因此，陈书文打算考试测验利用规模化打印的办法来制备一些生物电子。
来新加坡之前，陈书文曾打仗过基于固态微纳材料的可拉伸导体，深知个中存在的一些问题。

理解到液态金属的流动性以及形变性之后，她认为液态金属作为一种非常有出息的材料，或容许以办理这些问题。

刚开始在弹性基底上印刷油墨时频出 Bug。
新加坡的景象湿度很高，油墨刚铺到基底上还没等形成完全的图案，弹性体就析出了；要么便是干燥的图案还没拉伸或者轻微一拉就有涌现很多裂纹。

于是，他们考试测验改换了许多种弹性体，不断地调度油墨的比例，终极配置出一种能和水相对兼容的油墨，并办理了随意马虎涌现开裂的问题。

但是，看似完美无瑕的印刷电路却不导电。
课题组先是用拉力去激活油墨，结果导电率依旧不高；后又用压力激活，结果创造这种打仗会毁坏电路图案。

后来，他们又考试测验参杂少量的固态导电纳米线，以求连接形成更广泛的导电网络从而提高导电效果，结果还是非常不理想。

再后来，他们又考试测验利用非打仗超声应力来代替压力或拉应力，但却再次铩羽而归。

后来，陈书文索性将样品从粘性材料上撕下来后，结果创造电导率非常的高，上面还能形成一层闪闪发光的液态金属膜。
而且电路原有的图案也没有被毁坏，这让全体课题组十分惊喜。

通过力学剖析他们创造这个剥离过程，可以很好地凑集拉力和压力。
同时还不用打仗样品，因此能够极大程度地保持原有图案。

此外，他们还创造这种液固双层构造在和固态电子连接时，直接压上去就可以形成很好的软硬连接，哪怕受到刀口侵害也能自行愈合。

紧接着，陈书文和同事开始不断探索本次成果在传感、人机交互、可穿着等领域的用场。

终极，干系论文以《基于高度可拉伸双层液态金属导体的超高应变不敏感集成稠浊电子学》（Ultrahigh Strain‐Insensitive Integrated Hybrid Electronics Using Highly Stretchable Bilayer Liquid Metal Based Conductor）为题发在 Advanced Materials[1]。

陈书文是第一作者，东盟工程技能学院院士、新加坡工程学院院士、新加坡科学院院士、美国国家发明科学院院士、新加坡国立大学生物医学工程系以及研究院院长林水德教授（Chwee Teck Lim）担当通讯作者。

图 | 干系论文（来源：Advanced Materials）

“事实上，在所有事情快要结束时，林教授一贯在问还有其他运用么？他是一个工程出身的人，在他的带领下我们课题组已经衍生很多初创公司。
”陈书文说。

因此，林水德希望有一天他们也能将这项事情家当化，以是他一贯在挖掘这项事情的潜在运用，并希望陈书文和同事做出能影响千家万户的产品，末了做事于生物医学和人类生活。

与此同时，陈书文也被这种精神深深传染，她也意识到自己的事情还没做完，间隔导师的期待还有一定间隔。

即不能仅仅创造一些科学知识和工程知识，并在技能上得到验证就完事。
而是要把这些科学和技能转化成真正有用的产品。

以是，接下来还要研发面向特定医学运用处景的生物电子系统，并经由大量的动物实验和临床实验验证，终极得到终端用户的认可，才算完成导师的心愿。

因此，只管本次论文已经揭橥，但是干系事情还在延续。
“我相信终有一天我会完成他的心愿，由于这个心愿也早已在我心底生根萌芽。
”陈书文说。

图 | 从左到右：林水德和陈书文（来源：资料图）

“希望在晚年之时，能够认可自己的生平”

另据悉，陈书文硕士毕业于北京纳米能源与系统研究所，辅导老师包括王中林院士和曹霞教授。
博士则毕业于华中科技大学，导师是国家精彩青年科学基金得到者周军教授。

目前，她在新加坡国立大学医疗康健创新与科技研究院（iHealthtech）从事博后研究，师从前文的林水德教授。

陈书文表示，科研是一条艰辛的路，她很光彩这一起碰着很多精良的领路人。
回顾过往，一些教诲依然在耳边回荡：

比如王中林常常对她和同学讲“科研有时是千里走单骑，可能会很孤独，但认定了就要坚持”；周军曾见告她和同学“做科研，不要做浪花一朵，要做就要做灯塔一样的事情，要敢于啃硬骨头”；林水德则常常向她和同事叮嘱“we need to do some impactful works, not just papers（我们要做有影响力的事情，而不仅仅是追求发论文）”。

陈书文说，她常想人生如蜉蝣，倏忽而逝，而自己要过什么样的生平，要做什么样的科研？她希望在晚年之时，能够认可自己的生平，认可自己的奇迹。

她连续说道：“导师们虽然性情迥异，但对我的影响是全方位的，有的老师教会我享受科研的孤独与欣喜，有的老师教会我坚持兴趣和探索未知，有的老师教会我重视技能和家当转化。
至今，我间隔他们的期待依然很远，希望在未来的科研路上，我能够带着他们的教诲不断拾取聪慧，做出更有影响力并造福中国乃至全人类的事情。
”

同时，她也将连续坚持本心，做有代价、故意义的科研，一步一个脚印拓展科学认知和技能积累。
通过在柔性生物电子领域的创新，去做事人类康健和智能生活。
”

参考资料：

1.Chen, S., Fan, S., Qi, J., Xiong, Z., Qiao, Z., Wu, Z., ... & Lim, C. T. (2023). Ultrahigh Strain‐Insensitive Integrated Hybrid Electronics Using Highly Stretchable Bilayer Liquid Metal Based Conductor. Advanced Materials, 35(5), 2208569.