超薄可拉伸彈性導體 ，​可用於多種人體傳感器

為保證人的舒適性 ，運用於人體的傳感器往往需要實現100%的彈性拉伸和以及超薄透氣 。尤其是可植入的電子設備 ，往往隻由有幾微米厚 ，並足夠柔軟的彈性導體構成 ，這樣才能於人體複雜三維結構形成無縫接觸 。這種柔性導體通常由可拉伸聚合物（如聚二甲基矽氧烷 、SBS橡膠 、聚氨酯或氟橡膠）和導電填料（如納米線 、納米顆粒 、碳納米管或石墨烯）混合製成 。由於這一類材料的導電性取決於聚合物內導電填料之間的相互接觸 ，所以這類材料往往在拉伸的條件下難以保持比較良好導電性 。

如果需要實現保證柔性導電彈性體在拉伸的情況下實現良好的導電性 ，則需要一些在材料微觀結構上的設計 。比如通過使用具有高長寬比的金屬納米纖維作為導電填料 ，並將其定向排列在在較薄的聚合物層上 ，就可以同時實現高導電性和可拉伸性 。另外 ，運用液體金屬作為導電填料分散於聚合物基底種,由於液體金屬基導體固有的流體特性 ，在導電彈性體在發生較大形變是 ，液體金屬之間的鏈接仍然可以保持 。但是這類方式所使用的金屬填料往往製備過程過於複雜 。

利用熱蒸發的方式在彈性聚合物基底的表麵鍍上金屬薄膜是一種十分便利的製備導電彈性體方式 。近年來 ，已經有工作報道在聚氨酯-PDMS納米膜上通過這種方式鍍金屬膜 ，既可以實現良好的貼合性能和透氣性能 ，又可以保證傳感器所需要的導電性能 。但是由於在拉伸情況下 ，便麵沉積的金屬層會產生裂紋 ，導致接觸不良 ，因此這類材料在有穩定的電導率的條件下 ，最大拉伸能力約為30% 。性能沒有達到植入人體傳感器或體表傳感器所需要的100%或以上的可拉伸性 。

近期 ，東京大學Takao Someya 團隊聯合南洋理工大學陳曉東教授團隊提出一種製備可實現300%拉伸的超薄導電彈性薄膜的簡單方法 。這種薄膜主要由聚二甲基矽氧烷（PDMS）和金構成 ，其厚度約為1.3µm ，附著於聚合物基底表麵的金層具有受控製的微裂紋形態 。這種形態可以保證在拉伸的情況下仍具有優良的導電性 。由於其優良的性能 ，這種材料可以被應用於可透氣和防水的皮膚電極 ，並可以連續記錄心電圖信號 ；還可用於表皮應力傳感器和植入式神經電極 。該工作以題為“A 1.3-micrometre-thick elastic conductor for seamless on-skin and implantable sensors”的文章發表於Nature Electronics上 。

為了獲得微米厚的PDMS-Au電極的Au層的微裂紋形態 ，因此在熱蒸發鍍金過程中 ，玻璃基板和微米厚的PDMS之間加了一層100µm厚的PDMS層 。在熱蒸發鍍金的過程中 ，厚PDMS薄膜的熱膨脹導致蒸發的金在超薄PDMS上形成微裂紋結構 。這種微裂紋架構呈現三分支形狀均勻分布在Au層中 ，這對在拉伸狀態下保持導電性至關重要 。相比之下 ，在沒有厚PDMS膜的微米厚的PDMS薄膜玻璃上直接形成Au層 ，幾乎沒有可見的微裂紋 ，隻有微小的褶皺 。因此在沒有製備過程中沒有加厚PDMS層的情況下 ，超薄PDMS-Au在17%的拉伸應變內失去了電導率 ，因為在垂直於拉伸方向的拉伸過程中形成了長長的平行裂紋 ，這些Au碎片之間沒有任何連接 。相應的COMSOL模擬優化了厚度對微裂紋形成的條件 ，證明了由於熱應力較大 ，高溫會導致裂紋的形成 ，但如果溫度過高 ，可能會降低PDMS膜本身的力學性能 。

表皮傳感器和植入式神經傳感器應用

為保證表皮傳感器的貼合 ，在PDMS-Au薄膜與皮膚接觸的地方加一層22nm厚的離子導電聚合物層（pDAM） 。電極和粘接聚合物的結合 ，使得電極在皮膚變形和水衝洗情況下保持附著在皮膚上 。此外 ，薄薄的pDAM層不影響電極的氣體滲透性 ，適合長期使用情況下不造成皮膚問題 。超薄的PDMS-Au-pDAM電極能夠在誌願者進行跑步 、遊泳等劇烈運動後和洗手過程中 ，連續8 h記錄心電圖信號 。其信噪比值穩定在37.5 dB ，保證了日常生活中生物信號的持續監測不受幹擾 。

為了展示超薄PDMS-Au電極在植入式電子設備中的應用潛力 ，通過塗覆聚（3,4-乙基二氧噻吩）（PEDOT）/碳納米管塗層 ，將該材料製成了型微米厚的神經電極 ，作為神經調製/信號記錄的高質量接口 。超薄PDMS-Au電極具有超低的阻抗 ，在真空室保存6個月（0.1 Pa） ，室溫鹽水浸泡973小時後保持穩定 。由於的超薄PDMS-Au電極形變能力 ，超薄電極和神經組織之間形成了無縫界麵 ，不使用粘合劑或縫線 ，因此對神經的損傷更少 。相比之下 ，在厚電極與神經組織之間的界麵上有明顯的間隙 。超薄電極與組織之間的無縫界麵參與了有效的刺激傳遞和信號記錄 ，特別是對於超小（~微伏）和噪聲大的神經信號 。為了刺激肌肉 ，超薄電極的平均閾值刺激電流（0.32 mA）明顯低於厚電極（0.56 mA） 。

小結 ：該工作報道了一種1.3µm厚的可拉伸PDMS-Au彈性導電薄膜的製備方式 ，這種材料的最大拉伸能力可達300.0% ，並且具備良好的機械耐久性（在100.0%應變下 ，5000次循環 ，0%應變時電阻增加1.7%） 。這種超薄導體來創造可透氣 、防水的皮膚電極 ，可以用於在日常生活中以及在跑步和遊泳等劇烈運動中連續記錄心電信號 。這種導電薄膜還可以製備高敏感的超薄神經電極 ，可以更有效地向坐骨神經提供電刺激（性能比厚電極高2-4倍） ，這種超薄導電薄膜的製備方法在可穿戴傳感器上有比較良好的應用前景 。

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