柔性电子领域：鲍哲南、John A. Rogers、Takao Someya、黄维、彭慧胜最新工作进展

Sci. Adv.：由力学引导压缩屈曲形成的复杂三维微流体网络

微流控技术在化学分析系统、药物传递平台、人工血管网络等领域有着广泛的应用。后一个领域与3D细胞培养、工程组织和人工器官特别相关，在这些领域，液体分布的容量能力是必不可少的。三维微流体结构在实现所需的布局设计、产生与生理相关的微血管结构、集成有源电子/光电/微机电元件用于传感和驱动方面受到限制。美国西北大学的John A. Rogers、黄永刚等人提出了一种引导组装方法，该方法可以绕过这些限制，从充分利用二维制造方法的复杂性的二维前体生成复杂的三维微血管结构。该功能扩展到小于5mm的特征尺寸，扩展到阵列和各种嵌入式传感器和驱动器，在理论上证明了该三维组装方法适用于软硬各种材料，并且适合微观、介观、宏观多个几何尺度。如三维微血管网络具有复杂的布局，确定性地设计和构建，以扩展人工血管网络的几何和操作特征。相关研究以“Complex 3D microfluidic architectures formed by mechanically guided compressive buckling”为题目，发表在Science Advances上。DOI: 10.1126/sciadv.abj3686

图1 人工微血管网络的特性

Nat. Mater.:光固化生物吸收胶粘剂作为柔性生物电子器件和软生物组织之间的功能界面

灵活的电子/光电系统可以紧密地集成到重要器官系统的表面，有潜力提供与广泛的疾病和紊乱相关的革命性诊断和治疗能力。这些技术与活体组织之间的关键界面必须提供软机械耦合和有效的光/电/化学交换。在这里，美国西北大学John A. Rogers、Yevgenia Kozorovitskiy联合乔治华盛顿大学Igor R. Efimov等人介绍了一种功能性粘附生物电子-组织界面材料，其形式为机械顺应性、导电性和光学透明封装涂层、界面层或支撑基体。这些材料与设备表面和不同内部器官的表面紧密结合，在几天到几个月的时间内具有稳定的粘附性，可以以可控的速率量身定制生物吸收。活体动物模型的实验演示包括设备应用，从用于脑深部光遗传学和真皮下光疗的无电池光电系统到无线毫米级起搏器和柔性多极心外膜阵列。这些进展可以立即应用于目前用于动物模型研究的几乎所有类型的生物电子/光电系统，它们也有潜力在未来治疗危及生命的疾病和紊乱。相关研究以“Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues”为题目，发表在Nature Materials上。DOI: 10.1038/s41563-021-01051-x

图2 用于连接生物电子器件和生物组织的软界面材料

Nat. Commun.：代工厂兼容制造的高分辨率图案化超柔性有机电子

在像素化薄膜的制造过程中，聚合物半导体的溶液可加工性成为一个不利因素，因为底层很容易受到后续溶剂暴露。一个与代工厂厂兼容的制版工艺必须满足以下要求:高通量和高分辨率制版能力、广泛的通用性、环境加工性、对环境无害的溶剂和最小的器件性能退化。然而，已知的方法只能满足这些需求中的很少一部分。日本东京大学Takao Someya联合美国西北大学Tobin J. Marks、Antonio Facchetti等人演示了一种简单的光刻方法，用于已知p型和n型半导体聚合物的相容高分辨率图案。该过程涉及将垂直相分离的半导体聚合物和紫外线光固化添加剂交联，并在环境温和溶剂中仅通过三步就能实现分辨率高达0.5 μm的环境可加工光图案。这些有图案的半导体薄膜可以集成到具有优良传输特性、低关流、高热稳定性(高达175°C)和化学稳定性(在氯仿中浸泡24h)的薄膜晶体管中。此外，这些有图案的有机结构还可以集成在1.5 μm厚的聚苯乙烯基片上，以产生高度柔性(半径1mm)和机械坚固(5000次弯曲周期)的薄膜晶体管。相关研究以“Foundry-compatible high-resolution patterning of vertically phase-separated semiconducting films for ultraflexible organic electronics”为题目，发表在Nature Communications上。DOI: 10.1038/s41467-021-25059-8

图3 用于制造高分辨率图案超柔软物质电子电路的材料和方法

PNAS：用于多点细胞内动作电位记录的有机晶体管矩阵

电极阵列广泛应用于电生理活动的多点记录，有机电子技术已被用于实现高性能和生物相容性。然而，细胞外电极阵列记录的是场电位而不是膜电位本身，导致信息和信号幅度的丢失。尽管许多努力致力于发展胞内接入方法，它们的三维结构和高级协议禁止使用有机电子实现。在这里，日本东京大学Takao Someya展示了一个用于记录细胞内动作电位的有机电化学晶体管(OECT)矩阵。传感器基质的驱动电压同时引起电穿孔，因此用简单的仪器记录细胞内的动作电位。记录的波幅比细胞外场电位记录的波幅大，并且通过调节OECT的驱动电压和几何形状进一步增强。通过使用5 × 5μm²OECTs矩阵绘制4 × 4动作电位图，证明了其小型化和多路记录的能力。这些特性是通过一个温和的制造工艺和一个简单的电路实现的，而不限制功能有机电子的潜在应用。相关研究以“An organic transistor matrix for multipoint intracellular action potential recording”为题目，发表在PNAS上。DOI: 10.1073/pnas.2022300118/-/DCSupplemental

图4 支持的OECT基质记录细胞内动作电位的设计

Adv. Sci.：新兴聚合物用于可回收、生物可降解和生物兼容电子技术的发展

通过分子设计的进步，对工艺参数的理解，以及非传统设备制造技术的发展，可穿戴和可植入皮肤启发的设备领域在消费者市场上迅速增长的兴趣。就像以前的技术进步一样，经济增长和效率也在预料之中，因为这些设备将使人类与环境之间的互动达到一个更大的水平。然而，尚未解决的平行增长的电子废物已经对环境和人类健康造成了不利影响。展望未来，必须发展对人类和环境都友好的电子产品，这取决于新兴的可回收、生物降解和生物兼容的聚合物技术。美国斯坦福大学鲍哲南等人基于文献报道，提供了可回收、生物可降解和生物相容聚合物的定义，概述了用于表征机械和化学性质变化的分析技术，以及现实应用的标准。然后，设计新一代聚合物的各种策略是可回收的，生物可降解的，或生物相容性增强的功能相对于传统或商业聚合物进行了讨论。最后，展示了可回收性、生物降解性或新分子设计的生物相容性的电子产品，将新兴的聚合物化学集成到未来的电子设备中。相关研究以“Integrating Emerging Polymer Chemistries for the Advancement of Recyclable, Biodegradable, and Biocompatible Electronics”为题目，发表在Advanced Science上。DOI:10.1002/advs.202101233

图5 下一代环保和人类友好的电子产品依赖于可回收、生物可降解和生物相容性聚合物的新兴分子设计和表征技术示意图

AFM：具有超高面积电容的3D可穿戴织物微超级电容器

目前主要建立在平面基板上的微型超级电容器（MSC）虽然性能优越，但仍然存在面积电容有限的问题。鉴于此，南京邮电大学黄维院士和赖文勇等人引入了一种使用3D织物作为多孔骨架构建高截面MSCs的新策略。叉指聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）在3D织物上形成图案以实现连续的导电网络，而MnO₂在PEDOT:PSS上外延生长的微球在织物纤维的支持下完全暴露在电解质中。独特的架构可以利用厚电极的更多活性位点和互穿纤维网络的高导电性。这些织物与可穿戴电子设备兼容，可以集成到用于便携式应用的小型化设备中。这种基于3D织物的MSC可能为通过结构设计和器件集成开发高性能MSC提供新途径。相关研究以“3D Wearable Fabric-Based Micro-Supercapacitors with Ultra-High Areal Capacitance”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202107484

图6 基于织物的MSC的示意图

Nature：高性能纤维锂离子电池的规模化构建

纤维锂离子电池（FLIB）作为一种灵活的电源解决方案很有吸引力，因为它们可以编织在纺织品上，为未来的可穿戴电子产品提供方便的供电方式。然而，它们的长度很难超过几厘米，而更长的纤维被认为具有更高的内阻，从而损害了电化学性能。复旦大学彭慧胜等人表明，这种纤维的内阻与纤维长度有一个双曲余切函数关系，它首先减少，然后随着长度的增加趋于平稳。系统研究证实，这种意想不到的结果适用于不同的纤维电池。通过优化的可扩展工业流程，能够生产数米高性能纤维锂离子电池。大规模生产的纤维电池的能量密度为每公斤85.69瓦时(典型值小于每公斤1瓦时)，可为心率监测仪和血氧仪等商用可穿戴设备提供超过 2 天的续航。。经过500次充放电循环后，其容量保持率达到90.5%，1C倍率下的容量保持率达到93%(与0.1倍率容量相比)，与袋式电池等商用电池相当。纤维弯曲10万次后，可保持80%以上的容量。研究展示了工业剑杆织机将纤维锂离子电池编织到安全且可清洗的纺织品中，可以无线给手机充电，或为集成了纤维传感器和纺织品显示器的健康管理夹克供电。相关研究以“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”为题目，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03772-0

图7 长FLIB的连续制备和结构表征

Nature：大面积显示织物及其功能集成系统

显示器是现代电子产品的基本组成部分。将显示器集成到纺织品中为智能电子纺织品提供了应用机会，这是可穿戴技术的最终目标，随时准备改变我们与电子设备交互的方式。展示纺织品起到了人机交互的桥梁作用，例如，为语音或言语有困难的人提供了实时交流工具。能够通信、传感和供电的电子纺织品以前曾被报道过。然而，具有大面积功能性展示的纺织品尚未实现，因为要获得既耐用又易于在大面积组装的小型照明单元具有挑战性。在这里，复旦大学彭慧胜、陈培宁团队等人报道了一个6 m长，25 cm宽的显示纺织品，包含5×10⁵电致发光单元，间隔约800 um。编织导电经纱和发光经纱纤维，形成微米级电致发光单元。电致发光单元之间的亮度偏差小于8%，即使在纺织被弯曲、拉伸或挤压时也保持稳定。展示纺织品柔软透气，经得起反复机洗，适合实际应用。研究展示了一个由显示器、键盘和电源组成的综合纺织系统，可以作为通信工具，展示了该系统在包括医疗保健在内的各个领域的“物联网”中的潜力。我们的方法是将电子设备的制造和功能与纺织品结合起来，我们预计编织纤维材料将塑造下一代电子产品。相关研究以“Large-area display textiles integrated with functional systems”为题目，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03295-8

图8 显示织物的结构与电致发光性能

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