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浮动组装方法能够制造高导电性 可拉伸性和超薄纳米膜

皮肤电子设备”是可以安装在皮肤上的薄柔性电子设备。虽然这听起来像是科幻小说中的东西,但预计这种设备很快就会成为具有广泛应用的下一代设备,例如健康监测、健康诊断、虚拟现实和人机界面。

正如预期的那样,制造此类设备需要柔软且可拉伸的组件,以便在机械上与人体皮肤相容。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。

在 HYEON Taeghwan 教授和 KIM Dae-Hyeong 教授的带领下,韩国首尔基础科学研究所 (IBS) 纳米粒子研究中心的研究人员公布了一种制造纳米膜形式复合材料的新方法,该方法具有所有上述属性。新的复合材料由金属纳米线组成,这些金属纳米线紧密堆积在超薄橡胶膜内的单层中。

这种新型材料是使用该团队开发的一种称为“浮动组装方法”的工艺制成的。浮子组件利用了马兰戈尼效应,这种效应发生在具有不同表面张力的两个液相中。当表面张力存在梯度时,会从表面张力较低的区域向表面张力较高的区域产生 Marangoni 流。这意味着将表面张力较低的液体滴在水面上会局部降低表面张力,由此产生的马兰戈尼流会导致滴下的液体在水面上薄薄地扩散。

纳米膜是使用浮子组装方法创建的,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 Marangoni 流并阻止纳米线的聚集。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。第二步,滴下表面活性剂以产生第二波 Marangoni 流,从而紧密地压实纳米线。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。

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,例如超过 1,000% 的拉伸性和仅 250 nm 的厚度。该结构还允许纳米膜彼此冷焊和双层堆叠,这导致类似金属的电导率超过 100,000 S/cm。此外,研究人员还证明,可以使用光刻技术对纳米膜进行图案化,这是一项广泛用于制造商业半导体设备和先进电子产品的关键技术。因此,纳米膜有望成为一种新型的皮肤电子平台材料。

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