工程師們正致力于設(shè)計智能紋身，智能穿戴柔性器件，希望有一天能使用這些器件跟蹤人的心跳速率， 檢查中風(fēng)病人的恢復(fù)狀況,或者監(jiān)控糖尿病人的血糖濃度。為了滿足這些電子元件的柔性需要，研究者們發(fā)明了可以像人體一樣拉伸和彎曲的導(dǎo)線，電路和晶體管。一種柔性電路的設(shè)計策略是基于碳納米管或銀納米線織成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。令研究人員一直以來迷惑的一個現(xiàn)象是：實驗中，當(dāng)這些柔性納米線網(wǎng)被拉伸時，這些材料的電導(dǎo)率下降，而當(dāng)拉伸被釋放掉時，材料的電導(dǎo)率幾乎保持不變（圖1）。至今沒有人提供一個理論解釋，這讓準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)線的性能變的十分困難。
近期在美國科學(xué)院院刊《PNAS》上的發(fā)表的文章給出了一個定量的理論。這篇文章的通訊作者是斯坦福大學(xué)的蔡。╓ei Cai）教授，第一作者金麗華（Lihua Jin）現(xiàn)在任職加州大學(xué)洛杉磯分校機械和航空系助理教授。
圖1,在三個依次增大的拉伸循環(huán)中，在拉伸方向（A,C）和與拉伸垂直的方向(B,D)電阻發(fā)生變化。實驗結(jié)果（A,B）與原子模擬結(jié)果（C,D）很好地吻合。
柔性電路的設(shè)計者常使用碳納米管等納米材料，他們將碳納米管噴涂在橡膠基底上，碳納米管交錯堆積形成一個導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。電子沿著碳納米管運動，在碳管連接處從一根納米管跳躍到另外一根，從而從導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的一端移動到另外一端。電子能夠以多快的速度穿過導(dǎo)電膜，主要取決于碳納米管本身的導(dǎo)電性，碳管的長度，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的長度，以及電子從一根碳管跳到另外一根的難度。
本文的作者通過原子模擬重現(xiàn)了對碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)拉伸回復(fù)的多次載荷循環(huán)，發(fā)現(xiàn)在拉伸的時候碳納米管會沿著拉伸的方向排列，并發(fā)生相互滑移，但在卸載的時候，碳納米管粘合到一起，并形成波浪形的屈曲（圖2）。因而當(dāng)你拉伸碳管網(wǎng)絡(luò)然后釋放掉拉伸的時候，碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的排列變得不同了，這正是為什么它的電導(dǎo)率出現(xiàn)了不可逆的變化。這些發(fā)現(xiàn)也進一步被實驗驗證了。
圖2 原子模擬結(jié)果顯示，在三個依次增大的拉伸循環(huán)中，碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形貌發(fā)生了變化。
在此基礎(chǔ)上，作者進一步建立了一套數(shù)學(xué)模型來解釋波浪形屈曲的產(chǎn)生和對電導(dǎo)率的影響。當(dāng)一根碳納米管形成波浪形的屈曲，它頭尾的直線距離變短，因而對電導(dǎo)的實際貢獻(xiàn)變小。作者進一步將每根碳納米管的頭尾直線距離投射到拉伸和垂直兩個方向，這兩個投射距離分別表征了這根碳管在拉伸和垂直方向?qū)щ姷呢暙I(xiàn)。將兩個投射距離對所有的碳管取平均值，并與導(dǎo)線在對應(yīng)方向的長度做比值，得到的這兩個參數(shù)，控制了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電性。當(dāng)比值變化時，導(dǎo)線的導(dǎo)電性能就隨之變化。電導(dǎo)率由這兩個比值控制的行為是普適的，你并不需要使用特定直徑，長度或是特定廠家的碳納米管，只要你使用一個由細(xì)導(dǎo)電管線組成的導(dǎo)電網(wǎng)膜，你就會發(fā)現(xiàn)這一行為。
對于柔性電路的設(shè)計者來說，這項工作提供了確定的預(yù)測和指導(dǎo)。設(shè)計過程不再是在黑暗中摸索。在第一次拉伸之后，只要在后來的使用中，導(dǎo)線的拉伸不超過第一次，材料的導(dǎo)電性就幾乎保持不變。柔性電路的生產(chǎn)者可以通過一次預(yù)拉伸來確保在使用中電導(dǎo)率的穩(wěn)定性。這項發(fā)現(xiàn)對于傳感器的設(shè)計者也會極為有用。比方說，一位手受傷的病人在試圖握拳。如果一個傳感器固定在他的指關(guān)節(jié)上，每次導(dǎo)電率變化的時候，醫(yī)生就知道病人能更緊的握拳了。這對于醫(yī)生評估病人恢復(fù)是極為有用的。這些柔性電子系統(tǒng)正在一天天變?yōu)楝F(xiàn)實。
本文信息及鏈接：
Jin, L., Chortos, A., Lian, F., Pop, E., Linder, C., Bao, Z., & Cai, W. (2018). Microstructural origin of resistance–strain hysteresis in carbon nanotube thin film conductors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(9), 1986-1991.
