@ 2017.03.24 , 19:00

新材料:可拉伸的塑料电极

大脑是柔软的而电子设备是僵硬的,两者的结合是个巨大的挑战,比如神经科学家需要植入电极测量脑部活动或者传递震动减缓头痛。

化学工程师Zhenan Bao正尝试改变这一现状。几十年以来,她的实验室致力于制造柔软有弹性的电子设备。其间,团队开始着重于制造有弹性的导电脆性塑料。

在科学进展杂志上,Bao的团队提出了将脆性塑料通过化学手段改造成橡胶手环一样可弯曲的材料的方法,同时略微增强了导电性。研究结果为柔软可伸展的电极,令人感到舒适。化学工程教授Bao说道:“我们发明了一种新的材料,具有高度的延展性并且导电能力不打折扣。这种弹性电极将催生各种新的大脑接口和植入电极技术。”

[-]
新型聚合物的打印电极图案被拉伸到原先数倍长(顶部),透明高弹性的“电子皮肤”形成与人类皮肤的亲密接口,可被用于测量各种生物指标(底部)

该材料仍然是实验室原型,但研究团队希望将其作为长期发展的一部分,创造能与人体作用的弹性材料。

弹性作用

电极是电子设备的基础。导线来回搬运电信号使仪器的各个部分共同运作。在我们的大脑中,线形的纤维结构轴突扮演相似的角色,传递神经元之间的电脉冲。Bao的伸缩塑料被设计用于坚硬电子设备与身体中弹性有机电极之间的无缝连接。论文第一作者博士后研究员Yue Wang说:“关于大脑有一件事人们通常都不知道——在一天中的各个时间大脑的大小并不相同,会反复膨胀和收缩。”当前电子植入设备无法伸展贴合大脑,导致无法维持良好的连接。“如果有能够与大脑相似柔软性的电极,接口将会更好。”


机器人测试设备在曲面上对透明弹性电极进行拉伸测试

为发明这样的弹性电极,研究者从具备高导电率和生物相容性两种基本特性的塑料入手开始研究。但这样的塑料有一个缺点:易碎,即使拉伸5%都会损坏。

紧紧缠绕和易碎

Bao和她的团队为了寻求保留导电性同时增强弹性的方法,与美国斯坦福国家加速器实验室的科学家合作,利用特殊的x射线从分子层面研究这种材料。所有的塑料都是聚合物,即分子链像珠子一样串起来。实验中所用的塑料其实由两种不同的聚合物紧紧缠绕组成。一种是电导体,另一种聚合物对于制造该塑料必不可少。当这两种聚合物结合到一起,就创造了一种类似于一串易碎珠子结构的塑料。可以导电,但没有弹性。

研究人员假设如果可以找到一种正确的分子添加剂将这两种紧紧缠绕的聚合物分离开,那么就可以防止结晶,并赋予材料弹性。但他们必须对此小心,因为向导体中添加材料通常会减弱导电能力。

在测试了二十多种不同的分子添加剂后,他们终于找到了一种满足条件的添加剂。这种分子与工业作坊中增厚肥皂的一类添加剂十分相似,将塑料原本粗短易碎的分子结构变为渔网状,在线上增加了小孔,使材料能被拉伸和变形。在进行材料的弹性测试时,研究人员兴奋地发现其在被拉伸到原先的两倍长时导电率甚至有轻微的提升。在被拉伸到原先长度的8倍时仍然保持极高的导电率。

Bao说:“我们曾认为如果添加绝缘材料,材料的导电能力将大大降低,尤其是我们加了这么多。”但由于他们对分子组装调整方式的精确理解,最终得到了双方面的好结果:保持高导电率的同时得到了弹性物质。

Wang说:“通过理解分子层面的交互方式,我们设计出柔软弹性的电极,同时保持了导电能力。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力 !
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.5
赞一个 (15)

24H最赞