以柔美征服世界的“柔性電子”

水鈺

2017年3月10日，美國《科學進展》雜志介紹了一種新型可拉伸塑料電極，它能夠用于研發可穿戴電子器件，是在美國斯坦福大學華人教授鮑哲南的領導下研發出的新型電子產品。那么，新型可拉伸塑料電極究竟是什么？又有著怎樣的重大意義呢？下面，就讓我們去一探究竟，

走近“柔性電子”

一直以來，人類都渴望擁有一款能與身體相融合的電子設備：安置在心臟內，跟隨每次心跳而拉伸，幫助心臟疾病患者重獲健康；輕輕放入眼睛里，像隱形眼鏡一樣取用方便，代替那些體積龐大的生物傳感器。于是，“柔性電子”應運而生。

這項在柔性或可延性塑料或薄金屬板上制作電子器件的技術，正是鮑哲南團隊長期以來致力于研究的課題。為了增加材料的韌性和機械性，研究人員采用一種類似肥皂表面活性劑的分子添加劑，改變了分子之間的作用力；又利用離子相互作用所形成的弱靜電保證了高導電性；再加入增強劑來局部軟化聚合物鏈，從而形成軟結構區域，使其擁有較高的延伸率（即材料在拉伸斷裂后，總伸長與材料初始長度的百分比）。

這種高伸縮性的導電聚合物正是“柔性電子”，在被拉伸至原先2倍長時仍可保持極高的導電率，且有效地解決了導電塑料容易碎裂的不足——拉伸超過5%便會損壞。緊接著，研究人員又提出了疑問：這種材料是否可以植入生物體？會不會對生物體造成損傷呢？

雖然這些疑問還有待進一步驗證，但可以肯定的是，一旦確認了它的生物相容性，很快將引領表皮電子學、生物電子學，以及可穿戴設備等領域的革新。我們都知道，電極是電子設備中不可或缺的組成部件，它們就像人類大腦中的軸突，傳遞著電信號。一旦電極達到了近似于皮膚的柔軟程度，它就有可能替代人體的皮膚，甚至是幫助大腦來傳遞神經元之間的電脈沖。

可降解的“柔性電子”

不過，人類科技的進步往往伴隨著對環境的破壞，甚至有些時候還會危害我們自身的健康。中國作為世界上最大的電子垃圾場，全球約70%的電子垃圾會最終流向中國，廢舊的電視、冰箱、洗衣機、空調、電腦、手機等電子產品及其零部件更是讓廣東汕頭成為了“電子垃圾之都”。

大量的塑料外殼不易降解，燃燒后會釋放出有害氣體，長期埋于地下又影響農作物的生長，隨意丟棄在陸地或水中還可能被動物誤食，進而威脅到它們的生命；其中的重金屬會污染水體、大氣，逐漸富集在人體內，促使蛋白質和酶失去活性；一旦人體內重金屬的含量過高，就會造成重金屬中毒的癥狀（日本的水俁病是世界八大公害事件之一，正是有機汞污染造成的）；在拆卸電子元件的過程中，各類阻燃劑、溶劑同樣具有毒性，稍不留意就會誘發癌癥等人體病變。

基于這些不利因素，鮑哲南團隊不滿足于已研發的兼具導電性與拉伸性的“柔性電子”，他們使用特殊的化學方法，將原子間的連接方式變為可逆，并將其連接模式應用到柔性可導電聚合物的設計中。于是，研究人員們得到了可以在醋酸、土壤等弱酸環境中被分解的首種可降解聚合物半導體材料，而其中的金屬僅為不能被人體吸收的金，以及對人體無害的鐵。然后，他們利用造紙的原料一天然纖維素來制作支撐和保護電子元件的襯底，最大限度地避免了塑料廢棄物的產生。

其實，減少電子垃圾污染，我們能做的也有很多：減少電子產品的更換次數，進行電子垃圾的分類回收、循環利用等。

“柔性時代”來臨

還記得電影《哈利·波特》中能夠動態顯示的“魔法報紙”嗎？那正是可以像紙張一樣彎曲和折疊的柔性屏幕。2010年，惠普公司曾在美國舊金山展出一種采用“自對準壓印光刻”技術研發的全塑料柔性屏幕，利用太陽能供電，輕便耐用，著實讓人眼前一亮。

韓國LG公司也于2015年在首爾發布了一款壁紙式OLED顯示板，這塊0.97mm厚、139.7cm長、重1.9kg的面板能在磁鐵吸力的作用下，像壁紙一樣牢牢地貼在墻上。研發人員認為，這款產品最大的優點是能夠輕而易舉地彎折，你可以方便地把它帶去任何地方。

英國《每日電訊報》也曾介紹過一種透明、環保、能發光的柔性電子紙材料，這是科學家們將木粉通過簡單的吸濾法（制造真空負壓來加速過濾），加入鋅和硒制成的小半導體晶體研制出來的納米纖維素。它能夠在室溫下發光，即使經過數次的卷起、舒展，也不會出現開裂的情況。

未來，“柔性電子”將助力可穿戴設備的發展，憑借其可彎曲、超輕薄、低功耗、高性能等優勢，滿足社交娛樂、醫療健康、軍事工業等不同領域中各類群體的要求，最終徹底改變人類世界的生活方式。

（責任編輯：司明婧 責任校對：曹偉）endprint