东京大学Takao Someya课题组Nature Mater.：原位形成纳米银粒子制成可印刷的弹性导体

【引言】

可拉伸大面积电子设备的制造对于未来在医疗保健，可穿戴设备和机器人技术中的应用是必需的。例如，下一代机器人被设计成具有超越人类的关节和运动范围。为了完全集成设备和传感器，内部接线是主要的解决方案，对于机械系统布线的谐波设计技术构成了巨大的挑战。因此，对于将来与人或机器人的接口，仅需要简单的可修补或可戴式的高度可拉伸的传感器系统。具有很高的设计灵活性和新颖应用的前景，例如具有感觉力的伸缩假肢。将传感器或致动器应用于动态表面需要推进可拉伸电子设备，特别是可拉伸布线。可拉伸布线是集成可拉伸电子设备中最重要的部件。通过使用本质上可拉伸的材料可以获得抵抗应变的可靠电导。另一种方法是使用微结构制造导电通路。但是大面积利用受到其加工性的困难的限制。本文报告了一种可印刷的弹性导体，通过原位形成Ag纳米颗粒的混合微米尺寸的Ag薄片制备成可印刷弹性复合材料具有高的电导率。Ag纳米颗粒的形成受表面活性剂，加热过程和弹性体分子量的影响，导致电导率的急剧提高。展示了用于可伸缩机器人的完全印刷的传感器网络，即使拉伸超过250%，也能精确地检测压力和温度。

【成果简介】

近日，东京大学Takao Someya（通讯作者）课题组在Nature Mater.上发表了一篇题为 “Printable elastic conductors by in situ formation of silver nanoparticles from silver flakes” 的文章。该研究团队通过简单地印刷包含氟橡胶，氟表面活性剂，银薄片和甲基异丁基酮（MIBK）作为溶剂的油墨形成的Ag纳米粒子（AgNPs）的原位形成实现的高性能可拉伸和可印刷的弹性导体。初始电导率为6,168 Scm^-1，导电率在400%应变下可保持高达935Scm^-1。此类材料通过印刷协同地结合了高导电性，卓越的机械延展性和图案性，从而为下一代可穿戴和表皮电子学和生物电子学开创了许多新途径。

【图文导读】

图1 材料的制备和物理化学表征示意图

（a）材料的制作过程；

（b）通过混合四种组分和印刷原位合成AgNP，形成具有微米尺寸Ag片的导电路径；

（c-k）无表面活性剂（c-e）和表面活性剂（f-k）的弹性导体的表面SEM图像（注：样品f-h在低温（80℃，1小时）下制备）；

（l-n）弹性导体与表面活性剂的TEM图像。

图2 材料的电力学测试表征示意图

（a）没有进行高温处理时，有无表面活性剂的弹性导体的电导应变特性；

（b）导电性对氟表面活性剂体积分数的依赖性；

（c）导电性和拉伸性对后处理退火温度的依赖性；

（d）没有表面活性剂时，导电性对Ag片的体积分数的依赖性，有和没有表面活性剂；

（e）电导率-应变特性与其他可印刷弹性导体的比较；

（f）弹性导体的循环耐久性。

图3传感器的结构及性能测试示意图

（a）传感器结构；

（b）用于压力或温度的传感器放置在印刷抗蚀剂和聚氨酯岛上，并使用弹性导体进行布线；

（b）层叠在纺织品上的传感器的放大图像；

（c）传感器网络在未拉伸条件下的图片；

（d）传感器网络在120%拉伸条件下的图片；

（e）印刷传感器的压力性能；

（f）印刷传感器的温度性能。

【小结】

该研究团队提出的弹性导体的制造工艺与大面积和高通量的印刷工艺高度兼容。AgNPs在弹性体基体中的原位形成提高了导电性，由于AgNPs增强作用从而抑制裂纹形成。AgNPs的种群和大小可以通过选择Ag薄片，弹性体基体和表面活性剂来控制。Ag薄片和扩散的Ag离子，可以进一步提高这些类型的复合材料的电气和机械性能。最后，展示了可以开发适合复杂和动态表面的完全印刷的传感器网络并带来了可伸缩电子领域的新应用，特别是在机器人和可变形电子领域。

文献链接：Printable elastic conductors by in situ formation of silver nanoparticles from silver flakes（Nature Mater., 2017, DOI: 10.1038/nmat4904）

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