基于磁性導(dǎo)電復(fù)合材料實現(xiàn)多模態(tài)、可重構(gòu)的柔性電子器件開發(fā)

柔性電子器件能夠連續(xù)監(jiān)測多種生物物理信號（例如心率、血壓、體溫）和生化信號（例如體液中的離子和代謝物）。先進(jìn)材料的研發(fā)促進(jìn)了柔性電子器件的發(fā)展，包括導(dǎo)電聚合物、納米材料、水凝膠、液態(tài)金屬和有機半導(dǎo)體。由上述材料構(gòu)建的柔性電子器件減輕了與生物組織之間界面的機械不匹配，從而擴展了模態(tài)并提高了傳感的保真度。然而，柔軟的特性使其難以與傳統(tǒng)電子器件連接。近年來，研究人員提出了各種方法，包括聚合物/金屬納米結(jié)構(gòu)、可拉伸各向異性導(dǎo)電薄膜，以及機械互鎖微橋結(jié)構(gòu)等，來實現(xiàn)柔性電子器件的無焊快速互連，但這些互連是不可逆的，導(dǎo)致柔性電子器件的功能、靈敏度、空間分布等特征固定，缺乏可重構(gòu)性。

為了解決上述問題，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院韓夢迪課題組開發(fā)了磁性導(dǎo)電復(fù)合材料（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite，HMGN），其工藝流程包括激光誘導(dǎo)石墨烯、釹鐵硼/聚二甲基硅氧烷混合物剝離轉(zhuǎn)移和后續(xù)磁化。釹鐵硼顆粒滲透到多孔結(jié)構(gòu)中形成磁性導(dǎo)電復(fù)合材料，并展示出了優(yōu)異的機電性能以及磁性和生物兼容性（圖1）。近日，該成果發(fā)表在Advanced Materials上，題為“Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics”。北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院博士生項澤華為論文第一作者，韓夢迪為論文通訊作者。

圖1: HMGN的制備與表征

基于該材料，研究團隊制備了多模態(tài)傳感，包括伏安法電化學(xué)傳感、電生理傳感以及溫度傳感，并研究了磁顆粒和磁疇對傳感性能的調(diào)節(jié)。對于伏安電化學(xué)傳感，磁性粒子通過磁流體動力和微磁流體動力作用，在極小尺度上施加洛倫茲力誘導(dǎo)對流，促進(jìn)快速的氧化還原反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移。對于電生理傳感，摻雜NdFeB顆粒增強了復(fù)合材料的親水性，減少氣隙和增強表面潤濕，從而降低界面阻抗。對于溫度傳感，磁性顆粒內(nèi)部電子的熱運動以及磁疇的熱運動協(xié)同作用增強靈敏度（圖2）。

圖2: HMGN用于增強的多模態(tài)傳感

此外，還提出基于HMGN的可逆、自對準(zhǔn)的電學(xué)連接。有序的磁疇允許HMGN傳感器自組裝到具有磁性和導(dǎo)電互連的HMGN襯底上或從襯底上分離。傳感器和襯底中的磁顆粒呈相反極性相互吸引，形成從傳感器N極到襯底S極的連續(xù)導(dǎo)電路徑。HMGN傳感器和襯底的磁性吸引力在界面處形成了無縫連接。界面的電流-電壓曲線表明其歐姆接觸。與其他互連技術(shù)(如導(dǎo)線粘合和導(dǎo)電膠)相比，由磁吸形成的互連是可逆的和自對準(zhǔn)的，不需要外部壓力或加熱（圖3）。

圖3: HMGN用于可逆、自對準(zhǔn)的電學(xué)連接

利用基于HMGN的多模態(tài)傳感以及可逆、自對準(zhǔn)的電學(xué)連接，測量了健康人體的心電圖、皮膚阻抗、皮膚溫度以及汗液中離子和代謝物的濃度，展示了基于HMGN的柔性電子器件的多模態(tài)可重構(gòu)，包括可重構(gòu)的靈敏度、空間分布和傳感模態(tài)。

圖4: 基于HMGN的可重構(gòu)柔性電子

總之，HMGN可以實現(xiàn)柔性電子的重構(gòu)，用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，在協(xié)助診斷和治療許多人類疾病方面具有潛力。其進(jìn)一步的發(fā)展包括擴展HMGN的傳感模態(tài)，以針對更多樣化的物理和生化條件；改進(jìn)自對準(zhǔn)互連，以協(xié)助在大范圍內(nèi)組裝小型設(shè)備；以及開發(fā)完全集成的可重構(gòu)柔性電子，包括前端傳感模塊和后端電路模塊。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202308575

審核編輯：劉清