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  近年來，柔性可伸縮導(dǎo)電器件在超級電容器、納米發(fā)電機(jī)、傳感器和電子皮膚等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。由于彈性材料和嵌入結(jié)構(gòu)的限制，在實(shí)際應(yīng)用中，這些薄膜在一定的變形狀態(tài)下無法保持長期穩(wěn)定的電性能。因此，基于形狀記憶功能的可固定和變形逆的柔性導(dǎo)電薄膜器件的研究能解決柔性電子薄膜器件實(shí)際應(yīng)用的延展穩(wěn)定問題。

  近日，西南交通大學(xué)鄭曉彤課題組從攀藤植物纏繞竹莖可以很好地提升力學(xué)穩(wěn)定性的自然現(xiàn)象中獲得靈感，成功制備了一種基于納米纖維雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的具有高延伸率和形狀記憶特性的聚己內(nèi)酯/聚乙二醇/銀納米線的復(fù)合薄膜(PPAFs)，金屬銀納米線如穿線般插入聚合物纖維中，形成相互纏繞的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖一）。該仿生薄膜具有良好且穩(wěn)定的導(dǎo)電性，它不僅可以在拉伸范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)形狀固定和變形的可逆?zhèn)鲗?dǎo)，還可以在形狀記憶-回復(fù)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)材料電阻與變形率之間的可編程特性。因此該材料在柔性器件以及微電路中具有重要的應(yīng)用前景。

 圖一  具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的仿生PPAFs

  如圖二，該薄膜在同一變形率下進(jìn)行形狀記憶循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，其電阻具有“記憶特性”，此外材料在其拉伸率范圍內(nèi)仍處于導(dǎo)電狀態(tài)。相反地，對于同一樣品在形狀記憶-回復(fù)周期內(nèi)對其進(jìn)行連續(xù)的不同延伸率的變形時(shí)（即預(yù)拉伸，且預(yù)拉伸時(shí)的變形率要低于二次變形率），材料的電阻會出現(xiàn)驟增直至絕緣狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自身的“導(dǎo)電-絕緣-導(dǎo)電”的轉(zhuǎn)換，這也為材料在開關(guān)/轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種可能。

圖二 PPAFs的電阻變化 （a）PPAFs的電阻隨彎曲次數(shù)的變化（b）在拉伸率為10%、30%、50%時(shí)， PPAFs在變形周期內(nèi)的電阻變化 （c）在拉伸率為10%、30%、50%時(shí)，PPAFs在一個(gè)變形周期內(nèi)的電阻變化 （d）PPAF在不同拉伸率下電阻平均變化值 （e）（f）PPAFs在不同變形率的連續(xù)變形下，電阻在變形周期內(nèi)的變化 

  基于以上電阻特性，通過微電路和proteus仿真設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了可編程電導(dǎo)率和記憶周期特性的PPAFs在監(jiān)測、開關(guān)和報(bào)警裝置中的應(yīng)用。

圖三  具有雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PPAFs

PPAFs作為監(jiān)測器件的應(yīng)用

圖四 PPAFs作為檢測器件的(a)工作示意圖 (b)電路圖和工作時(shí)的（c）實(shí)時(shí)電阻和(d)電阻變化情況

PPAFs作為轉(zhuǎn)換器件的應(yīng)用

圖五 PPAFs作為轉(zhuǎn)換器件的（a-h）工作示意圖和工作時(shí)的（i）實(shí)時(shí)電阻和（j）電阻變化情況

PPAFs作為報(bào)警器件的應(yīng)用

圖六 PPAFs作為報(bào)警器件的（a、h）工作示意圖、（c）模擬微電路、（d）報(bào)警原理、（g）薄膜變形率和電阻的變化關(guān)系和（h）不同形狀記憶周期內(nèi)的電阻變化曲線

  該研究的重要意義在于，設(shè)計(jì)了一種相互穿插的雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使具有記憶特性和延展性的PPAFs實(shí)現(xiàn)高延伸形態(tài)下的可固定和變形可逆功能。通過對該仿生復(fù)合薄膜的檢測、轉(zhuǎn)換和報(bào)警等多模式下的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究，展示了可編程特性的柔性導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用前景。

  相關(guān)研究論文發(fā)表：

  Pandeng Tang，Xiaotong Zheng*, Huikai Yang, Jing He, Zhiwen Zheng, Weiqing Yang, Shaobing Zhou. Intrinsically Stretchable and Shape Memory Conducting Nanofiber for Programmable Flexible Electronic Films. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b14430.

  https://doi.org/10.1021/acsami.9b14430