東京大學Takao Someya課題組Nature Mater.：原位形成納米銀粒子制成可印刷的彈性導體

【引言】

可拉伸大面積電子設備的制造對于未來在醫療保健，可穿戴設備和機器人技術中的應用是必需的。例如，下一代機器人被設計成具有超越人類的關節和運動范圍。為了完全集成設備和傳感器，內部接線是主要的解決方案，對于機械系統布線的諧波設計技術構成了巨大的挑戰。因此，對于將來與人或機器人的接口，僅需要簡單的可修補或可戴式的高度可拉伸的傳感器系統。具有很高的設計靈活性和新穎應用的前景，例如具有感覺力的伸縮假肢。將傳感器或致動器應用于動態表面需要推進可拉伸電子設備，特別是可拉伸布線。可拉伸布線是集成可拉伸電子設備中最重要的部件。通過使用本質上可拉伸的材料可以獲得抵抗應變的可靠電導。另一種方法是使用微結構制造導電通路。但是大面積利用受到其加工性的困難的限制。本文報告了一種可印刷的彈性導體，通過原位形成Ag納米顆粒的混合微米尺寸的Ag薄片制備成可印刷彈性復合材料具有高的電導率。Ag納米顆粒的形成受表面活性劑，加熱過程和彈性體分子量的影響，導致電導率的急劇提高。展示了用于可伸縮機器人的完全印刷的傳感器網絡，即使拉伸超過250%，也能精確地檢測壓力和溫度。

【成果簡介】

近日，東京大學Takao Someya（通訊作者）課題組在Nature Mater.上發表了一篇題為 “Printable elastic conductors by in situ formation of silver nanoparticles from silver flakes” 的文章。該研究團隊通過簡單地印刷包含氟橡膠，氟表面活性劑，銀薄片和甲基異丁基酮（MIBK）作為溶劑的油墨形成的Ag納米粒子（AgNPs）的原位形成實現的高性能可拉伸和可印刷的彈性導體。初始電導率為6,168 Scm^-1，導電率在400%應變下可保持高達935Scm^-1。此類材料通過印刷協同地結合了高導電性，卓越的機械延展性和圖案性，從而為下一代可穿戴和表皮電子學和生物電子學開創了許多新途徑。

【圖文導讀】

圖1 材料的制備和物理化學表征示意圖

（a）材料的制作過程；

（b）通過混合四種組分和印刷原位合成AgNP，形成具有微米尺寸Ag片的導電路徑；

（c-k）無表面活性劑（c-e）和表面活性劑（f-k）的彈性導體的表面SEM圖像（注：樣品f-h在低溫（80℃，1小時）下制備）；

（l-n）彈性導體與表面活性劑的TEM圖像。

圖2 材料的電力學測試表征示意圖

（a）沒有進行高溫處理時，有無表面活性劑的彈性導體的電導應變特性；

（b）導電性對氟表面活性劑體積分數的依賴性；

（c）導電性和拉伸性對后處理退火溫度的依賴性；

（d）沒有表面活性劑時，導電性對Ag片的體積分數的依賴性，有和沒有表面活性劑；

（e）電導率-應變特性與其他可印刷彈性導體的比較；

（f）彈性導體的循環耐久性。

圖3傳感器的結構及性能測試示意圖

（a）傳感器結構；

（b）用于壓力或溫度的傳感器放置在印刷抗蝕劑和聚氨酯島上，并使用彈性導體進行布線；

（b）層疊在紡織品上的傳感器的放大圖像；

（c）傳感器網絡在未拉伸條件下的圖片；

（d）傳感器網絡在120%拉伸條件下的圖片；

（e）印刷傳感器的壓力性能；

（f）印刷傳感器的溫度性能。

【小結】

該研究團隊提出的彈性導體的制造工藝與大面積和高通量的印刷工藝高度兼容。AgNPs在彈性體基體中的原位形成提高了導電性，由于AgNPs增強作用從而抑制裂紋形成。AgNPs的種群和大小可以通過選擇Ag薄片，彈性體基體和表面活性劑來控制。Ag薄片和擴散的Ag離子，可以進一步提高這些類型的復合材料的電氣和機械性能。最后，展示了可以開發適合復雜和動態表面的完全印刷的傳感器網絡并帶來了可伸縮電子領域的新應用，特別是在機器人和可變形電子領域。

文獻鏈接：Printable elastic conductors by in situ formation of silver nanoparticles from silver flakes（Nature Mater., 2017, DOI: 10.1038/nmat4904）

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