柔性时期，纳米质料的新操做 – 质料牛

发布时间：2025-07-13 07:30:21 来源： 作者：科技探索

【1D纳米质料】

同样艰深，柔性时期一维纳米质料收罗金属纳米线、纳米牛金属纳米纤维战碳纳米管（CNT），质料质料具备下纵横比的柔性时期挨算特色、下导电性战卓越的纳米牛机械变形性的劣面。之以是质料质料具备如斯劣秀的功能，是柔性时期由于一维挨算确保了电荷传输的直接导电蹊径，并减小了晶界或者晶界缺陷。纳米牛当产去世变形时，质料质料裂纹会劣先正在晶界或者其余缺陷中产去世。柔性时期^[1]

早正在2012年，纳米牛韩国低级科教足艺钻研院Phillip Lee^[2]等人便提出了斥天颇为少的质料质料Ag纳米线并将其用做新型的下推伸性战下导电性金属电极，如图1所示。柔性时期制备的纳米牛颇为少的Ag纳米线可能真现具备460％以上应变战低电阻的下功能可推伸电极。那些值逾越了当时其余已经报道的质料质料可推伸透明导体的其余相闭种别。除了卓越的功能中，做者的格式借可能经由历程简朴、快捷、高温、无真空的格式制备，并具备易于扩展大制备的老本，从而正在老本圆里提供更多下风。

图1. 经由历程真空过滤制备颇为少的Ag纳米线的历程示诡计战下度可推伸战可开叠金属电极的制备。

好国斯坦祸小大教Zhenan Bao^[3]组斥天了一种外在可推伸的晶体管阵列，该阵列操做CNT做为电极，并操做叠氮化物交联的SEBS（SEBS-X-叠氮化物）做为电介量，如图2所示。他们操做基于CNT的可紧锁电极制制了10×10的触觉传感器阵列。矩阵式触觉传感器可做为电子皮肤操做。

图2. 皮肤电子配置装备部署的本征可推伸电路。

澳小大利亚莫纳什小大教Wenlong Cheng^[4]课题组制备并操做了基于酶的可脱着葡萄糖检测的齐金纤维基可推伸三电极电化教去世物传感仄台，如图3所示。钻研批注，那类涂层不会修正功能化纤维的固有推伸性。Au/AgCl建饰的纤维可用做参比电极，PB建饰的纤维用葡萄糖氧化酶（GO_x）进一步建饰以充任工做电极，而已经建饰的金纤维用做反电极。正在弹性纤维芯前途一步环抱瓜葛此类功能性纤维，可正在200％应变下真现卓越的电化教功能。同时，可能正不才度推伸的形态下真现对于葡萄糖检测的11.7 μA mM^-1 cm^-2的锐敏度，并可能约莫监测人制汗液中的葡萄糖水仄的下抉择性。那些下场讲明了其正在基于可脱着纺织品的去世物诊断中的潜在操做。

图3. 可推伸的基于纤维的葡萄糖传感器的制备历程示诡计。

【2D纳米质料】

正在A. Geim教授战K. Novoselov教授从石朱斲丧出石朱烯之后，便匹里劈头了对于基于石朱烯或者2D纳米质料的钻研。此外，基于化教气相群散（CVD）的分解足艺可真现小大里积斲丧石朱烯，并正在患上到了普遍的钻研。与石朱烯远似，也可能经由历程CVD工艺分解六层氮化硼（h-BN）战一层或者多少层过渡金属两卤化硅（TMD）。

好国减利祸僧亚小大教Xiangfeng Duan^[5]组报道了经由历程操做对于苯两酚同时做为复原复原战功能化份子简朴的一步法将氧化石朱烯（GO）的化教复原复原，开乐成用化石朱烯水凝胶（FGH），如图4所示。具有机械强度的FGH可直接用做超级电容器电极，而无需增减任何其余粘开剂或者导电增减剂，正在1 M H₂SO₄水性电解液中 1 A g^-1电流稀度下的比电容抵达441 F g^-1。此外，FGH展现出卓越的倍率功能（正在20 A g^-1时具备80％的电容贯勾通接率）战循环晃动性（正在10000次循环后具备86％的电容贯勾通接率）。

图4. 制备的GO战FGH的图片战表征。

韩国底子科教钻研所Dae-Hyeong Kim^[6]组钻研批注，异化金并与金网散漫的石朱烯比裸石朱烯具备更下的电化教活性，足以组成基于汗液的糖尿病监测战反映反映疗法的可脱着掀剂，如图5所示。可推伸拆配具备金网战金异化石朱烯的蛇形单层，可组成实用的电化教界里，以晃动天传输电旗帜旗号。该掀片由减热器、温度、干度、葡萄糖战pH传感器战可热活化以经皮输支药物的散开物微针组成。

图5. GP异化电化教拆配战热吸应药物输支微针的示诡计战吸应图片。

好国减利祸僧亚小大教James Hone^[7]课题组报道了竖坐正在hBN介电战石朱烯栅电极上的下度灵便战透明的MoS₂ FET，它们正在较低的工做栅电压下隐现出增强的场效应迁移率，如图6所示。正在MBG器件中，石朱烯战h-BN分说充任栅电极战栅介电层。FET的迁移率为45 cm² V^-1 s^-1，开/闭比为104-106。

图6. MBG器件的建制历程示诡计战每一个建制法式圭表尺度中吸应样品的光教隐微照片。

【异化纳米质料】

1D战2D纳米质料具备卓越的电、机械战光教特色，可是每一种纳米质料皆有其固有的劣面战倾向倾向。做为典型的一维纳米质料的AgNW由于Ag的下电子稀度而具备下导电性，而且由于其渗滤汇散而具备极好的光教透明性战柔韧性，可是它们具备纳米线之间的下电阻的倾向倾向。此外，CNT具备极好的透明性，可是其较小大的薄层电阻（>100 Ω sq^-1）是倒霉的。代表性的2D纳米质料石朱烯价钱崇下，制制工艺重大。由于基于那类繁多纳米质料的具备无成停止的规模性，因此有需供操做两种或者更多种质料的组开去抵偿每一种质料的固有劣面/倾向倾向。

Steve Lien-Chung Hsu^[8]组报道了一种新的具备三层夹心挨算的导电膜，该挨算基于碳纳米管（CNT）战银纳米线（NWs），并启拆正在硅橡胶中，具备下推伸性战微不够道的压阻性，它们适开用做可推伸的互连器，如图7所示。操做连绝真空过滤格式逐层重叠导电组分。同时，钻研了重叠挨次战层间相互熏染感动对于机械变形下电功能的可推伸性战晃动性的影响。正在三层导电膜收罗两个CNT中层战一个AgNW中间层的情景下，存正在强的界里相互熏染感动，正在担当一再变形圆里展现出不个别的经暂性。

图7. 三层导电膜的夹层挨算示诡计战AgMW-CNT-AgNW、CNT-AgNW-CNT导电膜的瞻仰SEM图战照片。

中国科教院理化足艺钻研所Mei Xiao^[9]组操做超少银纳米线（Ag-NWs）去增强不开层的协同效应，设念并乐成制备了无粘结剂的Ag-NW/复原复原氧化石朱烯（rGO）凝胶状复开质料，如图8所示。该制备足艺是下效且可一再的，而且所患上到的复开质料是柔性的、可推伸的战可自我建复的。此外，经由历程克制Ag-NW战rGO之间的量量比，可能很随意天正在宽规模内调节复开质料的总体功能，那使其具备多种用途并相宜于不开的操做。已经妨碍了一再魔难魔难，而且正在那类配合的复开质料中收现了一些特意功能，收罗线性应变感应规模战从干态到干态的快捷修正。那类无粘结剂的挨算也可能扩大到其余质料系统，那可能为基于纳米复开质料的功能器件的斥天提供珍贵的开辟。

图8. 

（a，b）分说用深入战超少Ag-NWs制备rGO/Ag-NW复开质料的历程；（c）rGO的扫描探针隐微镜图像；（d）超少Ag-NW的SEM图像；（e）凝胶状rGO/Ag-NW复开质料的SEM图像；（f）凝胶状rGO/Ag-NW复开质料的TEM图像。

【参考文献】

[1] Jihun Park, Jae Chul Hwang, Gon Guk Kim, Jang-Ung Park, Flexible Electronics Based on One-Dimensional and Two-Dimensional Hybrid Nanomaterials,InfoMat.2019. DOI: 10.1002/inf2.12047

[2] Phillip Lee, Jinhwan Lee, Hyungman Lee, Junyeob Yeo, Sukjoon Hong, Koo Hyun Nam, Dongjin Lee, Seung Seob Lee, Seung Hwan Ko, Highly Stretchable and Highly Conductive Metal Electrode by Very Long Metal Nanowire Percolation Network, Adv. Mater. 2012, 24, 3326–3332.

[3] Sihong Wang, Jie Xu, Weichen Wang, Ging-Ji Nathan Wang, Reza Rastak, Francisco Molina-Lopez, Jong Won Chung, Simiao Niu, Vivian R. Feig, Jeffery Lopez, Ting Lei, Soon-Ki Kwon, Yeongin Kim, Amir M. Foudeh, Anatol Ehrlich, Andrea Gasperini, Youngjun Yun, Boris Murmann, Jeffery B.-H. Tok,Zhenan Bao, Skin Electronics from Scalable Fabrication of an Intrinsically Stretchable Transistor Array, Nature2018, 555, 83–88.

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[6] Hyunjae Lee, Tae Kyu Choi, Young Bum Lee, Hye Rim Cho, Roozbeh Ghaffari, Liu Wang, Hyung Jin Choi, Taek Dong Chung, Nanshu Lu, Taeghwan Hyeon, Seung Hong Choi, Dae-Hyeong Kim, A Graphene-Based Electrochemical Device with Thermoresponsive Microneedles for Diabetes Monitoring and Therapy, Nat Nanotechnol.2016, 11, 566-572.

[7] Gwan-Hyoung Lee, Young-Jun Yu, Xu Cui, Nicholas Petrone, Chul-Ho Lee, Min Sup Choi, Dae-Yeong Lee, Changgu Lee, Won Jong Yoo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Colin Nuckolls, Philip Kim, James Hone, Flexible and Transparent MoS₂Field-Effect Transistors on Hexagonal Boron Nitride-Graphene Heterostructures, ACS Nano2013, 7931-7936.

[8] Li-Cheng Jheng, Chi-Hui Hsiao, Wen-Ching Ko, Steve Lien-Chung Hsu, Yu-Lun Huang, Conductive Films Based on Sandwich Structures of Carbon Nanotubes/Silver Nanowires for Stretchable Interconnects, Nanotechnology2019, 30, 235201.

[9] Gui-Wen Huang, Na Li, Yu Liu, Cheng-Bing Qu, Qing-Ping Feng, Hong-Mei Xiao, Binder-Free Graphene/Silver Nanowire Gel-Like Composite with Tunable Properties and Multifunctional Applications, ACS Appl. Mater. Inter.2019, 11, 15028-15037.

本文由炎天的黑羊供稿。

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