图 | 陈晓东（来源：课题组主页）
近日，在博后导师陈晓东以及博士导师染谷隆夫（Takao Someya）的辅导下，江智制备出一种微米厚的超薄电极，其拉伸度高达 300%，可以承受 20 克的重量，历经 5000 次循环仅涌现 1.7% 的变革。
图 | 江智（来源：江智）
就电子皮肤而言，这款超薄电极已能完备知足各方面的哀求，其电学性能优于商业电极，且具备商业电极所不具备的皮肤兼容性和佩戴舒适性，可用于永劫光地记录体表的电生理旗子暗记，比如心电旗子暗记、肌电旗子暗记、脑电图旗子暗记等。
就可植入电子而言，超薄电极具备更加出色的生物兼容性，有望成为一种新型神经界面，可用于人机交互、假肢、神经类疾病治疗等。
（来源：Nature Electronics）
“迈向无感知应力限定的电子学的一大步”
超薄柔性电子器件的研究起源于 2010 年旁边，常日指的是器件整体厚度低于 10 微米的柔性电子器件。
极薄的电子器件厚度，可以在最大程度上降落电子器件的刚度，让电子器件具有良好的变形能力，从而与不规则曲面形成良好的共形贴附，比如形成具有一定纹理的皮肤、或具有三维形状的器官。
同时，当超薄的柔性电子器件植入到动物体内比如大脑、心脏和周围神经等，一样平常不会引发明显的排异反应，故在可穿着和植入等场景具有良好的运用潜力。
然而，此前的超薄柔性电子器件大多构筑在塑性聚合物基底上，可拉伸性比较差，当贴附在枢纽关头处的皮肤、心脏、肌肉、脊髓和周围神经等，用户每每无法忍受长期的佩戴。
目前，能用于上述场景的可拉伸电子器件的厚度，险些都在几十到几百微米，利用时舒适性较低，并且存在器件和组织打仗不良的问题，这会影响数据采集的可靠性、旗子暗记通报的稳定性、以及生物兼容性等。
在这项事情中，江智利用美国药监局已批准的弹性聚合物聚二甲基矽氧烷（Poly（dimethylsiloxane），PDMS），通过改变旋涂速率和 PDMS 的浓度，制备出厚度为 1.3 微米的超薄可拉伸 PDMS 薄膜，并以此做为基底和封装层材料。
（来源：Nature Electronics）
之后，他将这种超薄 PDMS 膜转移到玻璃基底上，后者涂敷着 100 微米厚的 PDMS；接着利用热蒸发工艺，在基底上制备 50 纳米厚的金膜（Au），以作为可拉伸的导电材料；末了将超薄的 PDMS-Au 膜从背底上揭下。
结果创造，只有在具备一定厚度的 PDMS 基底上，蒸镀的金膜才会产生原生的微裂纹，当微裂纹扩展之后，即便被拉伸金膜也不会失落去导电能力。
这解释对付制备超薄可拉伸导体来说，“转移-贴附-脱膜”的过程十分关键。通过设计金属掩模板的图案，可以制备兼具繁芜图案、以及 100 微米高分辨率的多通道电极阵列。
结合相应的封装工艺，还能选择性地通过暴露小面积的金膜来作为电极点，以实现小面积的旗子暗记采集和通报。
此外，这种微米厚的 PDMS-Au 电极能够极大降落可拉伸电极的厚度，并能和生物介质比如皮肤和神经，进行适形打仗和无缝打仗，从而大大提高传感和生物旗子暗记解读的能力。
全体制作过程与工业化微电子器件的制作事理高度兼容。另据悉，课题组还展示了该成果在电子皮肤和植入器件的运用。
当用于皮肤电子时，除了良好的贴附性和机器稳定性，电子器件的透气性也十分主要。为担保皮肤的正常“呼吸”，电子器件的透气性要高于皮肤所须要的呼吸速率。
只管传统 100 微米厚的 PDMS 并不具备这样的透气性，但是当把其厚度降落到 1 微米，超薄的 PDMS 薄膜即可知足皮肤所需的透气性。
此外，电子器件与皮肤的稳定贴附，是其永劫光稳定事情的必要条件。因而，在超薄电子器件与皮肤之间，江智引了一层超薄的粘性聚合物水凝胶，无论是拍浮、跑步还是洗手，可以经受长达 8 小时的穿着，确保超薄电子器件不会从皮肤上脱落，从而实现永劫光地记录人体的心电旗子暗记。
当用于可植入电子器件时，江智以大鼠的坐骨神经为研究工具，分别记录了不同厚度的、基于 PDMS 的可拉伸器件，在坐骨神经上的旗子暗记和刺激通报过程。
结果创造，超薄 PDMS 可拉伸器件能与大鼠的坐骨神经，形成更加良好的共形贴附，因此可以记录具有超高信噪比的神经旗子暗记，同时能以超低的刺激电流，激活坐骨神经的生理活动。
近日，干系论文以《用于无缝皮肤和植入式传感器的 1.3 微米厚弹性导体》（A 1.3-micrometre-thick elastic conductor for seamless on-skin and implantable sensors）为题揭橥在 Nature Electronics 上。
图 | 干系论文（来源：Nature Electronics）
江智是第一作者，陈晓东院士、日本理化学研究所新兴物质科学中央福田健次郎（Kenjiro Fukuda）教授和染谷隆夫（Takao Someya）教授担当共同通讯作者。
总体而言，这一成果证明当超薄电子器件用于体内植入时，具备一定的优胜性，也为设计神经电极、以及其他植入性器件供应了新思路。
同时，在极薄可拉伸电极的课题领域内，该成果也是一项原始型研究。它有望用于各种生物医学运用，包括可穿着传感器、生物电气等。
一位评审专家表示：“与之前由该团队开拓的非可伸缩超薄器件比较，这种超薄可伸缩电子器件该当可以带来更加有出息、更加实际的运用代价，可被视为是迈向无感知应力限定电子学的一大步。”
（来源：Nature Electronics）
一个人超过两个国家的研究
江智表示：“这个课题起源于我在日本事情时，和另一位论文作者（钟俊文博士）的一次谈论。”
当时，他们的目标是制备超薄可拉伸传感器，关键点在于制备微米厚的超薄可拉伸导体。
考虑到电子器件常日具备多层构造，而超薄器件的操作又比较困难。因此，江智希望在全体加工工艺中，全部利用最成熟的电子加工工艺，只有这样才有望担保终极的器件成品率。
于是，他开始在超薄 PDMS 薄膜上对镀金膜进行热蒸，希望制备出可拉伸的超薄导体。只管考试测验了调度热蒸镀的各种工艺，比如蒸镀速率、金膜厚度、蒸镀时腔体温度以及样品的后处理工艺等，但是在超薄 PDMS 薄膜上所制备的金膜，始终没有天生良好的可拉伸性。
屡屡失落败之下，江智通过阅读文献创造，PDMS-Au 实现可拉伸的缘故原由在于微裂纹的扩展，而微裂纹是 PDMS 与 Au 的热膨胀系数不匹配所导致的。
由此可以推测，对付在金膜上天生微裂纹来说，厚度是一项关键成分。
受到胶带法制备单层石墨烯的启示，江智考试测验将超薄的 PDMS，贴在厚的 PDMS 涂敷的玻璃基底上。蒸镀完金膜之后，再将 PDMS-Au 薄膜从基底上揭下来。
这时，所制备的金膜终于天生微裂纹的构造，也实现了良好的可拉伸性。之后，他又将该课题从材料表征、成长机理、器件制备及优化、和器件运用等角度推进。
其表示：“实验期间，我也经历了事情单位的变更，从日本来到新加坡。幸运的是两个单位的导师都很支持我连续推进，也很幸运可以得到其他作者的大力支持。”
而且，江智的单位变革节点，发生在国外疫情比较严重的期间。期间，部分实验的进展相对较慢，须要同时折衷实验部分（仪器培训、工艺优化、开展互助等）和非实验部分（仪器购买、安装、调试、维修等）。虽然过程很大略，但是这一阶段的经历，也让他更加熟习如何建立一间实验室。
（来源：Nature Electronics）
另据悉，江智本科和硕士毕业于哈尔滨工业大学，之后免试入学日本东京大学和日本理化学研究所。
博士毕业后，他先后从事了三站博士后研究，专注于开拓面向实际运用的超薄柔性电子器件系统。
目前，其所在团队正与生物学家开展深度互助，以期开拓更多具备生理学功能的超薄可拉伸器件。
参考资料：
1.Jiang, Z., Chen, N., Yi, Z. et al. A 1.3-micrometre-thick elastic conductor for seamless on-skin and implantable sensors. Nat Electron 5，784–793 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00868-x
