BBIN BBIN宝盈香港大学徐立之教授《AM》：基于芳纶纳米纤维框架的多功能Kirigami电子器件

　　可拉伸电子由于其与人体动态表面的机械兼容性，对构建智能可穿戴系统非常有用。虽然可以利用多种材料和结构设计来制造可拉伸电子器件，但兼具高力学稳定性和多功能性满足可穿戴应用仍然具有挑战性。Kirigami designs（剪纸设计）因其在皮肤三维动态表面上的高可拉伸性和一致性而有利于可穿戴电子设备的构建。kirigami启发的结构最近成为可拉伸电子的候选者。然而，适宜的材料技术使kirigami设备具有皮肤界面所需的功能仍然有限。

　　近日，香港大学徐立之教授课题组开发了基于复合纳米纤维框架（CNFF）的多功能材料平台，可用于可穿戴kirigami电子工程。由芳纶纳米纤维和聚乙烯醇组成的自组装纤维网络具有高韧性、高渗透性和高可制造性，是制备杂化器件的理想材料。通过多尺度模拟解释了CNFF基kirigami结构的高抗断裂性，为设计提供了必要的指导，并可进一步推广到其他kirigami装置中。将各种微电子传感器和电活性聚合物集成到CNFF基材料平台上，实现了心电图（ECG）、肌电图（EMG）、皮肤温度和其他生理参数的测量。这些机械稳固、多功能、轻质、生物兼容的kirigami设备可以为先进的可穿戴系统和人机接口的发展提供新的见解。相关工作以“Robust and Multifunctional Kirigami Electronics with Tough and Permeable Aramid Nanofiber Framework”为题发表在《Advanced Materials》上。

　　该工作报道了一种多功能材料平台，可用于具有高力学性能和多功能性的可穿戴kirigami电子。该平台的中心部件是基于芳纶纳米纤维（ANF）复合材料的微孔框架。自组装超连接纤维网络具有高韧性，可以承受剪纸切口周围的应力集中，允许弹性设计，而不会因裂纹扩展导致设备失效。微孔kirigami膜的制备步骤使其与各种电子元件（包括转印无机微电子和渗透导电聚合物）的集成非常容易实现。

　　CNFF表现出独特的特性，源自其纳米级成分之间的相互作用，例如：刚性ANFs和柔性聚乙烯醇（PVA）之间的氢键。CNFF膜（厚度约100 μm）在无剪纸切口的情况下，在拉伸下表现出高延展性（~107%）和强度（~7.16 MPa）。它们的断裂能（~1500 J/m2）比电子领域的常见聚合物（如SU-8）高一个数量级，与天然橡胶的断裂能相当。CNFF的可拉伸kirigami膜可以承受比自身重量高约1000倍的负载，而不会出现力学损伤或切口扩展。CNFF的断裂轨迹是曲折的，表明其具有较高的应变能耗散能力。此外，可以观察到裂纹尖端的钝化和裂纹前端的纤维排列，这有助于减少应力集中，防止裂纹进一步扩展。此外，通过计算模型进一步研究了纤维相互作用对CNFF韧性的影响。

　　该工作开发了CNFF基kirigami电子的不同制造路线。在涂有牺牲层（例如：聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）的平面晶圆上微加工涉及无机电子材料的多功能器件。电子封装聚酰亚胺（PI）层，以防止电流泄漏，并允许后续的表面化学功能化。溶解牺牲层后，用水溶性胶带从晶圆上取出电子元件。在压印支撑器件上处理氧等离子体，在表面产生羟基，进一步与CNFF中的聚合物发生化学作用。刮涂一层CNFF的液态前驱体，然后与水进行溶剂交换，得到与电子元件牢固结合的水凝胶膜。在另一种制备方案中，导电聚合物可以通过电化学方法选择性地沉积到CNFF的多孔网络中。

　　在拉伸试验中，kirigami膜的性能几乎不受印刷电子元件的影响，而在很大程度上取决于CNFF的固有特性以及kirigami图案的结构设计。CNFF基kirigami电子具有拉伸不变的电学性质。即使在130%的延伸率下，kirigami膜中蛇形互连线的电阻也保持不变。此外，CNFF基kirigami电子可以承受超过5000个60%伸长率的拉伸循环，而不会造成电阻的显著变化。CNFF基kirigami电子的高可变形性使器件能够在皮肤的动态3D表面上共形集成。在表面速度为0.05m/s时，CNFF膜的存在导致了2~10 kPa的中等压降，对应的膜厚度为20~200 μm。此外，在CNFF上培养的NIH 3T3纤维母细胞的存活率表明CNFF基kirigami装置具有良好的生物相容性。

　　CNFF基kirigami装置中内置的多功能电子元件能够表征来自皮肤的各种生理信息。转印金电极和浸润PEDOT电极捕获的心电图信号显示出清晰的细节，可与商用银/氯化银凝胶电极测量的结果相媲美。前臂上的微加工电极阵列可用于记录肌电图。可以从不同对电极测量的肌电图信号捕捉到不同肌肉群收缩时产生的不同模式。这些时空信息可以用于手势识别或人机交互等应用。阵列中的热传感器能够捕捉到生理相关过程中的温度变化。

　　总之，该研究开发了一个基CNFF的多功能材料平台，用于构建可穿戴应用的kirigami电子器件。CNFF的高韧性、透气性和可加工性有利于开发稳固的多功能kirigami膜，使其很好地符合皮肤的三维动态表面。该工作所揭示的基于CNFF器件抗断裂性能的力学见解也适用于其他kirigami器件的工程，因此可为其设计和制造提供指导。包含高密度电极阵列、致动器、微流体或生化传感器于一体是可以实现的，这可能使复杂的可穿戴系统用于医疗诊断、疾病管理、人机交互或其他高级应用。

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