柔性电子快报！Nature Electronics：塑性弹性变形转变的压皱可恢复电子

以下文章来源于柔性电化学 ，作者哥尼亚是

背景简介

褶皱可能是一种快速有效的方法，可以以高压缩比包装片状电子设备。然而，褶皱不适用于传统的电子设备，因为可能会发生无序和不可逆的塑性变形，从而影响电子功能。基于此，亚洲大学多尺度仿生技术实验室Je-Sung Koh，Daeshik Kang和Seungyong Han等人联合报道了一种基于银纳米线、形状记忆聚合物和弹性体异质集成的可皱褶电子学。方法受到蝴蝶翅膀的出现过程的启发，蝴蝶翅膀在展开时具有可变的刚度，并允许片状设备的机械性能通过热调制从适合抚平皱褶皱时形成的弹性（2 MPa）状态转变为适合独立操作的塑性（1,315 MPa）状态。我们使用这种方法来创建触摸面板（7 cm x 7 cm），可以将其揉皱并包装到胶囊（1 ml体积）中，然后在打开包装后用作平坦光滑的表面，以实现可靠的触摸感应。相关成果以“Crumple-recoverable electronics based on plastic to elastic deformation transitions”为题刊发在Nature Electronics杂志上面。

主要内容

通过可调节刚度从塑性变形转变为弹性变形

自平滑板结构的开发灵感来自于蛹中皱巴巴的蝴蝶翅膀的出现及其随后的干燥过程，以创造一个平坦光滑的表面（图1）。新孵化的机翼的湿润表面具有低刚度，使机翼能够展开而不会出现机械损伤，例如裂缝和/或撕裂。另一方面，干燥的皱巴巴的翅膀具有相对较高的刚度，不能在没有缺陷的情况下展开和渲染成平板几何形状。干燥已经展开的机翼会产生光滑的表面，并具有最佳的刚度，从而提高空气动力学效率。使用由SMP、银纳米线（Ag NWs）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）形成的异质集成结构（HIS）创建了可调节刚度和平滑度的相关功能。

图 1：受自然启发的仿生异质集成结构 (HIS)。

机械和电气性能

HIS结构由SMP、Ag NWs和PDMS（从上到下）组成，厚度分别为20 μm、100 nm和150 μm（图2）。SMP 和 PDMS 之间通过 Ag NWs 之间的空隙形成的共价键和氢键产生强大的附着力，防止在机械应变和工作温度下分层。通过在HIS上施加电压达到转变温度所需的时间可以通过观察皱纹平滑所需的时间来确定。要达到这样的工作温度，需要 16.11 W 的电能，并导致整个 HIS 的随形温度。由于电流流动而导致轻微皱纹的区域的焦耳热导致热量扩散到具有强烈皱纹的区域，并抚平皱纹并重新连接整个HIS区域的电极。原始状态可以恢复，可重复使用HIS，而不会发生机械功能退化。

Ag NWs 的电气特性是一个参数，可以确认和监测 HIS 从褶皱变形中机械恢复的能力。HIS中的Ag NW稀疏分布在SMP和PDMS之间，使用CPI复合材料保持了相对较高的抵抗力，显示出缺乏可恢复性。CPI复合材料不会像在相变期间使用SMP那样表现出其刚度的调节或拉伸聚合物链的收缩。

图 2：HIS 自平整机制和电阻的恢复机制示意图。

皮肤上的柔性触摸面板

基于HIS的可穿戴触摸和书写面板显示出低表面摩擦和附着力，分别可实现准确的手写和与皮肤的保形接触（图3）。SMP的摩擦系数为0.306，与釉面玻璃和CPI相当，适合用指尖无缝绘制直线（图3）。即使在弯曲条件下，当缠绕在弯曲的陶瓷上时，也能正确感应手写体，这证实了在变形条件下触摸屏应用中低摩擦的优势。虽然PDMS的摩擦系数比SMP高一个数量级，不适合手写，但PDMS相对较高的粘度适合粘附各种材料（PDMS、玻璃、亚克力、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和钢）。这些实验数据支持将HIS用于皮肤上的可穿戴触摸面板，其中PDMS和SMP分别与皮肤接触并用作传感表面。

图 3：双面 HIS 设计，可实现低表面摩擦和触摸屏粘合。

光与HIS的相互作用

显示面板需要光滑平坦的表面，以最大限度地减少由于表面反射引起的光散射。如果外部光源对准不规则的表面，则必须增加显示器的亮度，以消除阻碍读取屏幕上显示的信息的眩光。因此，相对较大的能耗和热量的产生可能会缩短显示器和操作设备的使用寿命。当通过自发射对不可见的紫外线做出反应的荧光粉被整合到HIS中时，这种现象变得更加明显。HIS在不同状态下的反射行为表明，在不平坦的表面上具有相似的漫反射，并且能够通过热处理后恢复光滑的表面来消除眩光。

图 4：HIS 的光学特性。

可压缩和便携式电子设备

基于HIS的触摸/显示面板可从起皱引起的机械变形中恢复，可以存放在小型化的便携式胶囊中，而不会影响其电气和机械功能。在没有复杂设计机制的情况下进行任意快速包装的可行性表明，除了以前报道的包装方法（例如折叠和滚动）之外，还有一种简单而廉价的方法。

图 5：高度可封装和便携式人机界面。

小结

可皱褶和可回收电子产品的开发，这些电子产品的灵感来自从蛹中出现的蝴蝶翅膀。通过在宽动态范围内对刚度进行热控制，可以恢复电气和机械性能，从而能够从起皱引起的塑性变形和电极损坏中恢复过来。使用这种方法创建了可重复使用和可皱缩的触摸和显示面板，这些面板可以快速包装到小型胶囊中。还创建了可穿戴和透明的触摸面板，可用于控制视频游戏，并可用作智能手机显示器。

表面的褶皱会影响光的行为，在光学电子集成过程中需要考虑用于显示应用。超薄光源器件（如有机发光二极管或聚合物发光二极管）和中性轴管理，通过调整每层的厚度，可以将光源与我们的HIS集成在一起，形成一个完整的显示结构。此外，整个HIS的均匀加热对于机械和电气性能的恢复非常重要，特别是在大面积应用中。使用喷涂涂层来实现Ag NWs的均匀分布，或使用其他方法施加热量（例如光热转换效应），可以在HIS中产生有效的热能。随着这些进步，我们的方法应该提供一条强大的途径来开发柔性和可折叠的显示器，用于需要可重复使用片状电子设备而不会出现电气和机械故障的应用。

参考文献：

https://doi.org/10.1038/s41928-023-01089-6

转自：“i学术i科研”微信公众号

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