对于陈晓东院士，很多材料领域的从业者都并不陌生。目前，任职于新加坡南洋理工大学的他已经培养出大量的“材料人”，其中有多位已经回国发展。来自河北唐山的江智正是其中一位，他现在正在该课题组从事博士后研究。
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）的指导下，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 次循环仅出现 1.7% 的变化。
图 | 江智（来源：江智）
就电子皮肤而言，这款超薄电极已能完全满足各方面的要求，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，可用于长时间地记录体表的电生理信号，比如心电信号、肌电信号、脑电图信号等。
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）
“迈向无感知应力限制的电子学的一大步”
超薄柔性电子器件的研究起源于 2010 年左右，通常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低电子器件的刚度，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，一般不会引发明显的排异反应，故在可穿戴和植入等场景具有良好的应用潜力。
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，当贴附在关节处的皮肤、心脏、肌肉、脊髓和周围神经等，用户往往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，几乎都在几十到几百微米，使用时舒适性较低，并且存在器件和组织接触不良的问题，这会影响数据采集的可靠性、信号传递的稳定性、以及生物兼容性等。
在这项工作中，江智使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；接着使用热蒸发工艺，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；最后将超薄的 PDMS-Au 膜从背底上揭下。
结果发现，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去导电能力。
这说明对于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，可以制备兼具复杂图案、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，以实现小面积的信号采集和传递。
此外，这种微米厚的 PDMS-Au 电极能够极大降低可拉伸电极的厚度，并能和生物介质比如皮肤和神经，进行适形接触和无缝接触，从而大大提高传感和生物信号解读的能力。
整个制作过程与工业化微电子器件的制作原理高度兼容。另据悉，课题组还展示了该成果在电子皮肤和植入器件的应用。
当用于皮肤电子时，除了良好的贴附性和机械稳定性，电子器件的透气性也十分重要。为保证皮肤的正常“呼吸”，电子器件的透气性要高于皮肤所需要的呼吸速率。
尽管传统 100 微米厚的 PDMS 并不具备这样的透气性，但是当把其厚度降低到 1 微米，超薄的 PDMS 薄膜即可满足皮肤所需的透气性。
此外，电子器件与皮肤的稳定贴附，是其长时间稳定工作的必要条件。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，无论是游泳、跑步还是洗手，可以经受长达 8 小时的穿戴，确保超薄电子器件不会从皮肤上脱落，从而实现长时间地记录人体的心电信号。
当用于可植入电子器件时，江智以大鼠的坐骨神经为研究对象，分别记录了不同厚度的、基于 PDMS 的可拉伸器件，在坐骨神经上的信号和刺激传递过程。
结果发现，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信号，同时能以超低的刺激电流，激活坐骨神经的生理活动。
近日，相关论文以《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）为题发表在 Nature Electronics 上。
图 | 相关论文（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心福田健次郎（Kenjiro Fukuda）教授和染谷隆夫（Takao Someya）教授担任共同通讯作者。
总体而言，这一成果证明当超薄电子器件用于体内植入时，具备一定的优越性，也为设计神经电极、以及其他植入性器件提供了新思路。
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应用，包括可穿戴传感器、生物电气等。
一位评审专家表示：“与之前由该团队开发的非可伸缩超薄器件相比，这种超薄可伸缩电子器件应该可以带来更加有前途、更加实际的应用价值，可被视为是迈向无感知应力限制电子学的一大步。”
（来源：Nature Electronics）
一个人跨越两个国家的研究
江智表示：“这个课题起源于我在日本工作时，和另一位论文作者（钟俊文博士）的一次讨论。”
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。
考虑到电子器件通常具备多层结构，而超薄器件的操作又比较困难。因此，江智希望在整个加工工艺中，全部使用最成熟的电子加工工艺，只有这样才有望保证最终的器件成品率。
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。尽管尝试了调整热蒸镀的各种工艺，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，始终没有生成良好的可拉伸性。
屡屡失败之下，江智通过阅读文献发现，PDMS-Au 实现可拉伸的原因在于微裂纹的扩展，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，对于在金膜上生成微裂纹来说，厚度是一项关键因素。
受到胶带法制备单层石墨烯的启发，江智尝试将超薄的 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，所制备的金膜终于生成微裂纹的结构，也实现了良好的可拉伸性。之后，他又将该课题从材料表征、生长机理、器件制备及优化、和器件应用等角度推进。
其表示：“实验期间，我也经历了工作单位的变更，从日本来到新加坡。幸运的是两个单位的导师都很支持我继续推进，也很幸运可以得到其他作者的大力支持。”
而且，江智的单位变化节点，发生在国外疫情比较严重的时期。期间，部分实验的进展相对较慢，需要同时协调实验部分（仪器培训、工艺优化、开展合作等）和非实验部分（仪器购买、安装、调试、维修等）。虽然过程很简单，但是这一阶段的经历，也让他更加熟悉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，专注于开发面向实际应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合作，以期开发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