“皮肤电子设备”是指可以安装在皮肤上的薄而灵活的电子设备。虽然这听起来像是《赛博朋克2077》科幻中的东西，但预计很快此类设备将用于健康监测、健康诊断、虚拟现实和人机界面等广泛的应用中。
制造此类设备需要柔软且可拉伸的组件，以便与人体皮肤在机械上兼容。皮肤电子设备的重要组成部分之一是一种本质上可拉伸的导体，可在设备之间传输电信号。为了实现可靠的操作和高质量的性能，需要具有超薄厚度、类似金属的导电性、高拉伸性和易于图案化的可拉伸导体。尽管进行了广泛的研究，但由于它们之间经常需要权衡，因此还不可能开发出一种同时具有所有这些特性的材料。
鉴于此，韩国首尔基础科学研究所(IBS)纳米粒子研究中心主任Hyeon Taeghwan教授（JACS前副主编、韩国两院院士）和Kim Dae-Hyeong教授（John A. Rogers学生）提出了一种制造高导电性、弹性和超薄纳米膜的方法，称为“浮动组装法”，该方法制备的纳米膜具有所有上述属性。该方法使纳米材料能够在水-油界面进行紧凑组装，并将它们部分嵌入超薄弹性体膜中，这可以将施加的应变分布在弹性体膜中，即使在高负载下也能产生高弹性。此外，该结构允许冷焊和双层堆叠，从而具有高导电性。即使在使用光刻进行高分辨率图案化后，这些特性也能保留下来。相关研究成果以题为“Highly conductive and elastic nanomembrane for skin electronics”发表在最新一期《Science》上。
【工艺：“浮动组装法”】
作者提出了一种浮动组装法来制造导电和弹性纳米膜，图1提供了描述纳米膜制造的示意图。该方法由三步过程组成。第一步是将复合溶液滴在水面上，该溶液是金属纳米线、溶解在甲苯中的橡胶和乙醇的混合物。由于其疏水性，甲苯-橡胶相保持在水面之上，而纳米线最终位于水相和甲苯相之间的界面上。溶液中的乙醇与水混合以降低局部表面张力，从而产生向外传播的马拉高尼流（Marangoni flow）并防止纳米线聚集。这将纳米材料在水和非常薄的橡胶/溶剂膜之间的界面处组装成单层（图1A-1C，）。在第二步中，表面活性剂被滴下以产生第二波马拉高尼流，从而紧密地压实纳米线（图1D，1E）。最后，在第三步中，甲苯被蒸发，得到具有独特结构的纳米膜，其中高度压实的单层纳米线部分嵌入超薄橡胶膜中（图1F）。该工艺可应用于各种纳米材料，包括银纳米线（AgNWs）、银-金核-壳纳米线（Ag-AuNWs）、银纳米颗粒（AgNPs）和金纳米颗粒（AuNPs），以及各种弹性体，如聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）、热塑性聚氨酯（TPU）和聚（苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯）（SIS）。
图 1. 使用浮动组装方法制造高导电性和可拉伸的纳米膜
【纳米膜的结构和力学性质】
由“浮动组装法”制备的纳米膜，即使含有>80 wt% 纳米线仍能保持超薄同时高弹性的性质。这种材料特性归因于其横截面结构，该结构源自水和油性溶剂界面处纳米线的单层组装。一半的纳米线由弹性体膜固定，其横截面结构类似于嵌入牙龈中的牙齿。纳米膜的顶视图和横截面图的SEM和TEM图像（图2A-C）证实了该结构。图2D是纳米膜横截面的示意图，描述了其详细结构和尺寸。纳米膜由直径约为140 nm的单层纳米线和厚度约为110 nm的弹性体层组成。纳米线之间具有约60 nm高度的周期性弹性体楔块支撑该结构。其独特的结构可在超薄橡胶膜中实现有效的应变分布，从而实现优异的物理性能，例如540%的最大伸长率和仅250 nm的厚度（图2E-2G）。图2H-2M数据表明施加的应变主要由纳米线之间（即楔形区域）的弹性体消散，这使纳米线和弹性体之间的界面处的诱导应变最小化，导致纳米膜的大伸长率。
图 2. 纳米膜的结构和机械特性
【纳米膜图案化以及电性能】
齿状纳米线结构允许使用光刻法对纳米线进行高分辨率图案化（图3A）。所需图案内的纳米线受光刻胶保护，图案外的纳米线可以被蚀刻。由于纳米线部分暴露于弹性体，因此它们的蚀刻很容易（图3B）。通过冷焊部分暴露的纳米线，可以进一步加强纳米线之间的接触。根据TEM，纳米线的表面被PVP配体覆盖，这会导致纳米线之间出现轻微分离（图3C）。当用盐水如氯化钠溶液处理时，PVP可以从纳米线表面去除。之后，水蒸发过程中产生的毛细管力导致纳米线的冷焊，形成了跨越纳米线的牢固连接（图3D），这显着提高了电导率（图3E）。电导率可能因测量方向而异，平行纳米线方向为103100 S/cm，垂直于纳米线方向为32900 S/cm。纳米膜在平行方向的应变为 200%和垂直方向的应变大于1000%时仍保持高导电性（图3F）。当两个纳米膜堆叠在一起同时让纳米线彼此对齐时（图3G），可实现165700 S/cm的最大电导率（图3H）。堆叠的纳米膜在平行方向上保持高达~400%的应变和在垂直方向上>1000%的应变（图3I）。当两个纳米膜堆叠在一起时同时让纳米线彼此垂直时（图3J），无论测量方向如何，都可以实现>100000 S/cm的电导率（图3K）。此外，无论拉伸方向如何，堆叠的纳米膜即使在1000%应变下仍保持导电性（图3L）。与此同时，光图案纳米膜可应用于皮肤电子产品。从简单的皮肤安装电极到由电生理、温度、应变和湿度传感器组成的多功能传感器阵列，可以通过集成多层图案化纳米膜来制造设备。因此，纳米膜有望成为一种新型的皮肤电子平台材料。
图 3. 图案化纳米膜在冷焊和堆叠后的电性能
【总结】
作者提出了一种制造高导电性、弹性和超薄纳米膜的方法。纳米膜的结构实现了卓越的材料特性，纳米膜是部分嵌入超薄弹性体膜的组装纳米材料的单层。光刻可用于高分辨率图案化和堆叠策略，焊接工艺可增强纳米膜的性能。通过使用图案化纳米膜，可以制造多功能皮肤安装传感器阵列。
全文链接：
http://science.sciencemag.org/content/373/6558/1022
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