首個自愈合彈性半導體問世：電腦可以穿在身上

近日，美國斯坦福大學研究人員首次制備出一種可用于制作晶體管的可自愈彈性聚合物，為新一代可穿戴設備開辟了道路，相關論文日前在《自然》期刊發表，《自然》同期評論文章中表示，該研究實現了復雜有機電子表面模仿人類皮膚，是仿生學發展的一座里程碑。
斯坦福大學研究人員通過將剛性半導體聚合物與柔性材料結合，制作出了像人體皮膚一樣可以拉伸、形成褶皺、自我愈合的半導體，能夠用于可穿戴設備、電子皮膚乃至柔性機器人。
這種新的聚合物在拉伸到原來尺寸的兩倍以后，仍然保持原有的導電性能，與非晶硅的導電性能一致（非晶硅是制作控制液晶顯示像素的晶體管陣列時會用到的材料）。
研究人員表示，制作彈性半導體聚合物一直以來都是個難題。彈性材料的典型設計規則是讓材料更軟、結晶度更低。但一般的高性能半導體聚合物，都需要高度結晶且硬度較高，導致材料硬且脆，容易碎裂。
為解決這個難題，研究人員首先使用含有二酮吡咯并吡咯（dpp）單元的聚合物（dpp中大量的碳鍵使其硬度和結晶度高）；然后，在不改變聚合物整體導電性能的前提下，替換掉5%~10%的dpp，通過減少碳鍵的數量使材料變得更軟；最后，研究人員再往其中加入另外一種更軟、很容易形成氫鍵的彈性聚合物。由此得到了一種全新的材料。拉伸這種新材料時，里面的化學鍵會斷開吸收機械能，而應力釋放時，這些鍵又會重新結合起來。
這種彈性晶體管材料由兩部分組成：一是剛性的半導體，二是連接這些半導體的無定形鏈。拉伸時，無定形鏈間由氫鍵連接，收縮時氫鍵斷裂吸收機械應力。該材料經過1000次拉伸循環后（拉伸至雙倍尺寸又重新縮回），開始出現一些裂紋，導電性也輕微降低。但使用溶劑蒸汽處理150℃的熱板上加熱之后，該材料可以自我愈合，并且幾乎完全恢復原本的導電性能。
研究人員已經使用該聚合物制造出可以穿戴在肘部和踝部的彈性晶體管。研究團隊正在從事將這種材料納入傳感器的研究，希望以后能開發出柔性可穿戴顯示器。
可伸縮聚合物導體和絕緣體材料早已得到廣泛應用，而合成具有可拉伸性質的半導體是世界首例，斯坦福大學團隊將高彈性、自愈合和高效電荷傳輸性能“集成”進新型高分子材料中，實現了材料學、仿生學和電子學的重大突破，為新一代類皮膚可穿戴設備研制奠定基礎。


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