Sci. Adv.封面：可拉伸器件的究极进化——摩天轮

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在可拉伸电子器件的设计中，“岛-桥”是一种广泛使用的策略。其中，刚性组件作为一个个“岛屿”集成到柔性聚合物基质中，通过“桥梁”（即导线）相互连接；“岛屿”通常被设计成圆形、方形、六角形等不同形状，“桥梁”也借鉴了生活中常见的蛇形、弹簧、折纸、手风琴等样式。不过，这种设计策略也存在缺陷，最常见的如“岛效应”问题——弹性体基质与刚性组件之间模量不匹配，导致“岛屿”附近材料界面处因过度和重复形变产生裂纹，引发器件失效。

可拉伸电子器件结构设计。图片来源：Adv. Mater. Technol.[1]

为解决这些问题，近日韩国科学技术院（KAIST）Taek-Soo Kim和Steve Park等研究者开发并优化了一种“摩天轮式岛屿（Ferris wheel–shaped island, FWI）”，通过联锁结构有效地抑制了“岛屿”和柔性基质界面处的裂纹扩展。优化后的器件结构能有效提高可拉伸电子设备的机械稳定性，应对拉伸、扭转、皱折和弯曲等各种三维变形，大大提高可拉伸电子器件的耐用性，增加未来的商业化应用的潜力。该论文发表在Science Advances 杂志上，并被选为当期封面。

当期封面。图片来源：Sci. Adv.

传统圆形“岛屿”嵌入柔性聚酯基质，在拉伸率达到~75%后，应力突然下降，两者界面产生裂纹。出现拐点是因为刚性“岛屿”附近产生裂纹，从而耗散了大量界面断裂能。进一步表征发现，裂纹在70%应变下就已经出现，导致界面破坏。而使用“摩天轮式岛屿”设计后，即使拉伸率达到~175%，界面处也没有出现实质性的破坏，直到应变达到180%时，界面处才出现明显裂纹。

“摩天轮式岛屿”和柔性聚酯基质的高度匹配性。图片来源：Sci. Adv.

得益于3D打印技术的发展，刚性“岛屿”的设计可以扩展至各种复杂的几何形状。研究者共设计了35种形状，实现了“岛屿”的3步进化。进化第一阶段，从圆形变成风车形，既能保持全方位拉伸能力，又推迟了裂纹的出现。

3D打印各种“岛屿”形状。图片来源：Sci. Adv.

进化第二阶段，在“风车叶片”外侧添加锚定区域，形成摩天轮式结构。这些锚固区域可以有效阻止裂纹的扩展，且当内径与外径之比达到0.42时，这种锚固效应最大。究极进化阶段（第三阶段），需要对摩天轮的齿数以及结构比例进行优化。通过实验结合有限元模拟，发现齿数在设计参数中的影响最大，而齿数为12时，显示出最高的总应变，并确定了相关参数p/i、a/b以及c/i之间的关系对于应变的贡献，其中p/i比例对提高拉伸率的影响最大（下图）。

“岛屿”设计对界面裂纹扩展的影响。图片来源：Sci. Adv.

事实上，在被拉伸时材料界面的破坏模式分为两种：聚合物断裂以及与“岛屿”剥离。因此，不同聚合物基质对于“摩天轮式岛屿”的设计要求也不相同。比如，当使用韧性较低的聚合物凝胶时，倾向发生聚合物断裂，且p/i的比例越大，拉伸能力越强；而对于韧性适中的聚合物基质，拉伸应变则随着p/i的比例变化出现拐点，需要确定最佳的设计参数。

“摩天轮式岛屿”与不同聚合物衬底的相容性。图片来源：Sci. Adv.

“摩天轮式岛屿”不仅有效抑制裂纹扩展，提高其拉伸性能，同时还提高了器件的抗疲劳能力。圆形“岛屿”在70%应变下进行循环，100~140个周期内界面迅速断裂，而“摩天轮式岛屿”在120%应变下循环1000次，未观察到界面破坏。此外，该设计在三维变形下的机械性能也同样稳定，无论是拉伸、扭转，还是戳击、压折等恶劣条件下，“摩天轮式岛屿”均展现出优异的抗打击能力。

承受多种变形模式。图片来源：Sci. Adv.

随后，研究者将刚性“岛屿”和蛇形Ag电极集成到可拉伸电子设备中，制备了可拉伸发光LED阵列。“岛屿”之间的中心距为25 mm，可以保证阵列的最大可伸缩性。涂覆的电极具有良好的界面稳定性，在220%的较高应变率下，仍可以保持27 Ω的低电阻。阵列在所有三维变形模式下，都能正常工作。

基于“摩天轮式岛屿”阵列的可拉伸电子设备。图片来源：Sci. Adv.

为了证明“摩天轮式岛屿”阵列的实用性，研究者将其应用于电子皮肤，检测人体脉搏信号和膝盖弯曲信息。即使在用手握住或添加某一方向应力下，依旧可以准确地感知信号。

“摩天轮式岛屿”阵列应用于电子皮肤。图片来源：Sci. Adv.

柔性器件在日常使用中，总会遇到潜在的恶劣条件，因此高度耐久性非常重要。“摩天轮式岛屿”设计可以大大改善“岛-桥”结构在柔性和刚性界面处的机械性能，为将来的商业化进程提供了又一种可行的方案。

Geometrically engineered rigid island array for stretchable electronics capable of withstanding various deformation modes

Jun Chang Yang, Seungkyu Lee, Boo Soo Ma, Junmo Kim, Myoung Song, Su Yeong Kim, Da Won Kim, Taek-Soo Kim, Steve Park

Sci. Adv., 2022, DOI: 10.1126/sciadv.abn3863

参考文献：

[1] Lu Yin, et al. Structural Innovations in Printed, Flexible, and Stretchable Electronics. Adv. Mater. Technol. 2020, 5, 2000694.

DOI: 10.1002/admt.202000694

（本文由小希供稿）

来源：X一MOL资讯