柔性電子領域：鮑哲南、John A. Rogers、Takao Someya、黃維、彭慧勝最新工作進展

Sci. Adv.：由力學引導壓縮屈曲形成的復雜三維微流體網絡

微流控技術在化學分析系統、藥物傳遞平臺、人工血管網絡等領域有著廣泛的應用。后一個領域與3D細胞培養、工程組織和人工器官特別相關，在這些領域，液體分布的容量能力是必不可少的。三維微流體結構在實現所需的布局設計、產生與生理相關的微血管結構、集成有源電子/光電/微機電元件用于傳感和驅動方面受到限制。美國西北大學的John A. Rogers、黃永剛等人提出了一種引導組裝方法，該方法可以繞過這些限制，從充分利用二維制造方法的復雜性的二維前體生成復雜的三維微血管結構。該功能擴展到小于5mm的特征尺寸，擴展到陣列和各種嵌入式傳感器和驅動器，在理論上證明了該三維組裝方法適用于軟硬各種材料，并且適合微觀、介觀、宏觀多個幾何尺度。如三維微血管網絡具有復雜的布局，確定性地設計和構建，以擴展人工血管網絡的幾何和操作特征。相關研究以“Complex 3D microfluidic architectures formed by mechanically guided compressive buckling”為題目，發表在Science Advances上。DOI: 10.1126/sciadv.abj3686

圖1 人工微血管網絡的特性

Nat. Mater.: 光固化生物吸收膠粘劑作為柔性生物電子器件和軟生物組織之間的功能界面

靈活的電子/光電系統可以緊密地集成到重要器官系統的表面，有潛力提供與廣泛的疾病和紊亂相關的革命性診斷和治療能力。這些技術與活體組織之間的關鍵界面必須提供軟機械耦合和有效的光/電/化學交換。在這里，美國西北大學John A. Rogers、Yevgenia Kozorovitskiy聯合喬治華盛頓大學Igor R. Efimov等人介紹了一種功能性粘附生物電子-組織界面材料，其形式為機械順應性、導電性和光學透明封裝涂層、界面層或支撐基體。這些材料與設備表面和不同內部器官的表面緊密結合，在幾天到幾個月的時間內具有穩定的粘附性，可以以可控的速率量身定制生物吸收。活體動物模型的實驗演示包括設備應用，從用于腦深部光遺傳學和真皮下光療的無電池光電系統到無線毫米級起搏器和柔性多極心外膜陣列。這些進展可以立即應用于目前用于動物模型研究的幾乎所有類型的生物電子/光電系統，它們也有潛力在未來治療危及生命的疾病和紊亂。相關研究以“Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues”為題目，發表在Nature Materials上。DOI: 10.1038/s41563-021-01051-x

圖2 用于連接生物電子器件和生物組織的軟界面材料

Nat. Commun.：代工廠兼容制造的高分辨率圖案化超柔性有機電子

在像素化薄膜的制造過程中，聚合物半導體的溶液可加工性成為一個不利因素，因為底層很容易受到后續溶劑暴露。一個與代工廠廠兼容的制版工藝必須滿足以下要求:高通量和高分辨率制版能力、廣泛的通用性、環境加工性、對環境無害的溶劑和最小的器件性能退化。然而，已知的方法只能滿足這些需求中的很少一部分。日本東京大學Takao Someya聯合美國西北大學Tobin J. Marks、Antonio Facchetti等人演示了一種簡單的光刻方法，用于已知p型和n型半導體聚合物的相容高分辨率圖案。該過程涉及將垂直相分離的半導體聚合物和紫外線光固化添加劑交聯，并在環境溫和溶劑中僅通過三步就能實現分辨率高達0.5 μm的環境可加工光圖案。這些有圖案的半導體薄膜可以集成到具有優良傳輸特性、低關流、高熱穩定性(高達175°C)和化學穩定性(在氯仿中浸泡24h)的薄膜晶體管中。此外，這些有圖案的有機結構還可以集成在1.5 μm厚的聚苯乙烯基片上，以產生高度柔性(半徑1mm)和機械堅固(5000次彎曲周期)的薄膜晶體管。相關研究以“Foundry-compatible high-resolution patterning of vertically phase-separated semiconducting films for ultraflexible organic electronics”為題目，發表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-021-25059-8

圖3 用于制造高分辨率圖案超柔軟物質電子電路的材料和方法

PNAS：用于多點細胞內動作電位記錄的有機晶體管矩陣

電極陣列廣泛應用于電生理活動的多點記錄，有機電子技術已被用于實現高性能和生物相容性。然而，細胞外電極陣列記錄的是場電位而不是膜電位本身，導致信息和信號幅度的丟失。盡管許多努力致力于發展胞內接入方法，它們的三維結構和高級協議禁止使用有機電子實現。在這里，日本東京大學Takao Someya展示了一個用于記錄細胞內動作電位的有機電化學晶體管(OECT)矩陣。傳感器基質的驅動電壓同時引起電穿孔，因此用簡單的儀器記錄細胞內的動作電位。記錄的波幅比細胞外場電位記錄的波幅大，并且通過調節OECT的驅動電壓和幾何形狀進一步增強。通過使用5 × 5μm² OECTs矩陣繪制4 × 4動作電位圖，證明了其小型化和多路記錄的能力。這些特性是通過一個溫和的制造工藝和一個簡單的電路實現的，而不限制功能有機電子的潛在應用。相關研究以“An organic transistor matrix for multipoint intracellular action potential recording”為題目，發表在PNAS上。DOI: 10.1073/pnas.2022300118/-/DCSupplemental

圖4 支持的OECT基質記錄細胞內動作電位的設計

Adv. Sci.：新興聚合物用于可回收、生物可降解和生物兼容電子技術的發展

通過分子設計的進步，對工藝參數的理解，以及非傳統設備制造技術的發展，可穿戴和可植入皮膚啟發的設備領域在消費者市場上迅速增長的興趣。就像以前的技術進步一樣，經濟增長和效率也在預料之中，因為這些設備將使人類與環境之間的互動達到一個更大的水平。然而，尚未解決的平行增長的電子廢物已經對環境和人類健康造成了不利影響。展望未來，必須發展對人類和環境都友好的電子產品，這取決于新興的可回收、生物降解和生物兼容的聚合物技術。美國斯坦福大學鮑哲南等人基于文獻報道，提供了可回收、生物可降解和生物相容聚合物的定義，概述了用于表征機械和化學性質變化的分析技術，以及現實應用的標準。然后，設計新一代聚合物的各種策略是可回收的，生物可降解的，或生物相容性增強的功能相對于傳統或商業聚合物進行了討論。最后，展示了可回收性、生物降解性或新分子設計的生物相容性的電子產品，將新興的聚合物化學集成到未來的電子設備中。相關研究以“Integrating Emerging Polymer Chemistries for the Advancement of Recyclable, Biodegradable, and Biocompatible Electronics”為題目，發表在Advanced Science上。DOI: 10.1002/advs.202101233

圖5 下一代環保和人類友好的電子產品依賴于可回收、生物可降解和生物相容性聚合物的新興分子設計和表征技術示意圖

AFM：具有超高面積電容的3D可穿戴織物微超級電容器

目前主要建立在平面基板上的微型超級電容器（MSC）雖然性能優越，但仍然存在面積電容有限的問題。鑒于此，南京郵電大學黃維院士和賴文勇等人引入了一種使用3D織物作為多孔骨架構建高截面MSCs的新策略。叉指聚（3,4-亞乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）在3D織物上形成圖案以實現連續的導電網絡，而MnO₂在PEDOT:PSS上外延生長的微球在織物纖維的支持下完全暴露在電解質中。獨特的架構可以利用厚電極的更多活性位點和互穿纖維網絡的高導電性。這些織物與可穿戴電子設備兼容，可以集成到用于便攜式應用的小型化設備中。這種基于3D織物的MSC可能為通過結構設計和器件集成開發高性能MSC提供新途徑。相關研究以“3D Wearable Fabric-Based Micro-Supercapacitors with Ultra-High Areal Capacitance”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202107484

圖6 基于織物的MSC的示意圖

Nature：高性能纖維鋰離子電池的規模化構建

纖維鋰離子電池（FLIB）作為一種靈活的電源解決方案很有吸引力，因為它們可以編織在紡織品上，為未來的可穿戴電子產品提供方便的供電方式。然而，它們的長度很難超過幾厘米，而更長的纖維被認為具有更高的內阻，從而損害了電化學性能。復旦大學彭慧勝等人表明，這種纖維的內阻與纖維長度有一個雙曲余切函數關系，它首先減少，然后隨著長度的增加趨于平穩。系統研究證實，這種意想不到的結果適用于不同的纖維電池。通過優化的可擴展工業流程，能夠生產數米高性能纖維鋰離子電池。大規模生產的纖維電池的能量密度為每公斤85.69瓦時(典型值小于每公斤1瓦時)，可為心率監測儀和血氧儀等商用可穿戴設備提供超過 2 天的續航。。經過500次充放電循環后，其容量保持率達到90.5%，1C倍率下的容量保持率達到93%(與0.1倍率容量相比)，與袋式電池等商用電池相當。纖維彎曲10萬次后，可保持80%以上的容量。研究展示了工業劍桿織機將纖維鋰離子電池編織到安全且可清洗的紡織品中，可以無線給手機充電，或為集成了纖維傳感器和紡織品顯示器的健康管理夾克供電。相關研究以“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”為題目，發表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03772-0

圖7 長FLIB的連續制備和結構表征

Nature：大面積顯示織物及其功能集成系統

顯示器是現代電子產品的基本組成部分。將顯示器集成到紡織品中為智能電子紡織品提供了應用機會，這是可穿戴技術的最終目標，隨時準備改變我們與電子設備交互的方式。展示紡織品起到了人機交互的橋梁作用，例如，為語音或言語有困難的人提供了實時交流工具。能夠通信、傳感和供電的電子紡織品以前曾被報道過。然而，具有大面積功能性展示的紡織品尚未實現，因為要獲得既耐用又易于在大面積組裝的小型照明單元具有挑戰性。在這里，復旦大學彭慧勝、陳培寧團隊等人報道了一個6 m長，25 cm寬的顯示紡織品，包含5×10⁵電致發光單元，間隔約800 um。編織導電經紗和發光經紗纖維，形成微米級電致發光單元。電致發光單元之間的亮度偏差小于8%，即使在紡織被彎曲、拉伸或擠壓時也保持穩定。展示紡織品柔軟透氣，經得起反復機洗，適合實際應用。研究展示了一個由顯示器、鍵盤和電源組成的綜合紡織系統，可以作為通信工具，展示了該系統在包括醫療保健在內的各個領域的“物聯網”中的潛力。我們的方法是將電子設備的制造和功能與紡織品結合起來，我們預計編織纖維材料將塑造下一代電子產品。相關研究以“Large-area display textiles integrated with functional systems”為題目，發表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03295-8

圖8 顯示織物的結構與電致發光性能

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