柔性電子器件能夠連續(xù)監(jiān)測多種生物物理信號(hào)（例如心率、血壓、體溫）和生化信號(hào)（例如體液中的離子和代謝物）。先進(jìn)材料的研發(fā)促進(jìn)了柔性電子器件的發(fā)展，包括導(dǎo)電聚合物、納米材料、水凝膠、液態(tài)金屬、有機(jī)半導(dǎo)體。

由上述材料構(gòu)建的柔性電子器件減輕了與生物組織之間界面的機(jī)械不匹配，從而擴(kuò)展了模態(tài)并提高了傳感的保真度。然而，柔軟的特性使其難以與傳統(tǒng)電子器件連接。近年來，研究人員提出了各種方法，包括聚合物/金屬納米結(jié)構(gòu)、可拉伸各向異性導(dǎo)電薄膜，以及機(jī)械互鎖微橋結(jié)構(gòu)等，來實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的無焊快速互連，但這些互連是不可逆的，導(dǎo)致柔性電子器件的功能、靈敏度、空間分布等特征固定，缺乏可重構(gòu)性。

為了解決上述問題，北京大學(xué)韓夢迪課題組開發(fā)了磁性導(dǎo)電復(fù)合材料（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite，HMGN）來構(gòu)建可重構(gòu)柔性電子。HMGN結(jié)合了多孔導(dǎo)電材料和硬磁材料的優(yōu)點(diǎn)：一方面，通過多孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和磁疇的協(xié)同效應(yīng)改善了對(duì)電生理信號(hào)、物理信號(hào)和電化學(xué)信號(hào)的感知；另一方面，硬磁特性使得基于HMGN的器件可以通過通用、可逆和自對(duì)準(zhǔn)的接口與其他電子元件連接，而無需加熱或按壓。HMGN傳感器對(duì)物理和生化信號(hào)進(jìn)行連續(xù)、多模態(tài)和可定制測量，在幫助痛風(fēng)、癲癇和高血壓等許多人類疾病的診斷和治療方面顯示出了很大的潛力。

該成果發(fā)表在Advanced Materials，題為“Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics”。北京大學(xué)博士生項(xiàng)澤華為論文第一作者，北京大學(xué)韓夢迪為論文通訊作者。

HMGN的制備與表征

該可重構(gòu)柔性電子器件包括各種傳感模塊和襯底，均基于HMGN。制備HMGN的工藝流程包括激光誘導(dǎo)石墨烯，釹鐵硼/聚二甲基硅氧烷混合物剝離轉(zhuǎn)移和后續(xù)磁化。釹鐵硼顆粒滲透到多孔結(jié)構(gòu)中形成磁性導(dǎo)電復(fù)合材料，并展示出了優(yōu)異的機(jī)電性能以及磁性和生物兼容性。

圖1: HMGN的制備與表征

HMGN用于增強(qiáng)的多模態(tài)傳感

摻雜的磁顆粒和磁疇協(xié)同調(diào)節(jié)傳感過程，從而增強(qiáng)傳感性能，包括伏安法電化學(xué)傳感，電生理傳感以及溫度傳感。對(duì)于伏安電化學(xué)傳感，磁性粒子通過磁流體動(dòng)力和微磁流體動(dòng)力作用，在極小尺度上施加洛倫茲力誘導(dǎo)對(duì)流，促進(jìn)快速的氧化還原反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移。對(duì)于電生理傳感，摻雜NdFeB顆粒增強(qiáng)了復(fù)合材料的親水性，減少氣隙和增強(qiáng)表面潤濕，從而降低界面阻抗。對(duì)于溫度傳感，磁性顆粒內(nèi)部電子的熱運(yùn)動(dòng)以及磁疇的熱運(yùn)動(dòng)協(xié)同作用增強(qiáng)靈敏度。

圖2: HMGN用于增強(qiáng)的多模態(tài)傳感

HMGN用于可逆、自對(duì)準(zhǔn)的電學(xué)連接

有序的磁疇允許HMGN傳感器自組裝到具有磁性和導(dǎo)電互連的HMGN襯底上或從襯底上分離。傳感器和襯底中的磁顆粒呈相反極性相互吸引，形成從傳感器N極到襯底S極的連續(xù)導(dǎo)電路徑。HMGN傳感器和襯底的磁性吸引力在界面處形成了無縫連接。界面的電流-電壓曲線呈線性關(guān)系，表明其歐姆接觸。與其他互連技術(shù)(如導(dǎo)線粘合和導(dǎo)電膠)相比，由磁吸形成的互連是可逆的和自對(duì)準(zhǔn)的，不需要外部壓力或加熱。

圖3: HMGN用于可逆、自對(duì)準(zhǔn)的電學(xué)連接

基于HMGN的可重構(gòu)柔性電子

對(duì)健康人體的實(shí)驗(yàn)測量了心電圖、皮膚阻抗、皮膚溫度以及汗液中離子和代謝物的濃度，展示了基于HMGN的柔性電子器件的多模態(tài)可重構(gòu)，包括可重構(gòu)的靈敏度、空間分布和傳感模態(tài)。

圖4: 基于HMGN的可重構(gòu)柔性電子

未來展望

HMGN可以實(shí)現(xiàn)柔性電子的重構(gòu)，用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，在協(xié)助診斷和治療許多人類疾病方面具有潛力。進(jìn)一步的發(fā)展包括擴(kuò)展HMGN的傳感模態(tài)，以針對(duì)更多樣化的物理和生化條件；改進(jìn)自對(duì)準(zhǔn)互連，以協(xié)助在大范圍內(nèi)組裝小型設(shè)備；以及開發(fā)完全集成的可重構(gòu)柔性電子，包括前端傳感模塊和后端電路模塊。

審核編輯：劉清