北京大学未来技术学院韩梦迪课题组基于磁性导电复合材料实现多模态、可重构的柔性电子器件
2024/03/26
403柔性电子器件能够连续监测多种生物物理信号（例如心率、血压、体温）和生化信号（例如体液中的离子和代谢物）。先进材料的研发促进了柔性电子器件的发展，包括导电聚合物，纳米材料，水凝胶，液态金属，和有机半导体。由上述材料构建的柔性电子器件减轻了与生物组织之间界面的机械不匹配，从而扩展了模态并提高了传感的保真度。然而，柔软的特性使其难以与传统电子器件连接。近年来，研究人员提出了各种方法，包括聚合物/金属纳米结构、可拉伸各向异性导电薄膜，以及机械互锁微桥结构等，来实现柔性电子器件的无焊快速互连，但这些互连是不可逆的，导致柔性电子器件的功能、灵敏度、空间分布等特征固定，缺乏可重构性。
为了解决上述问题，北京大学未来技术学院韩梦迪课题组开发了磁性导电复合材料（Hard Magnetic Graphene Nanocomposite，HMGN），其工艺流程包括激光诱导石墨烯、钕铁硼/聚二甲基硅氧烷混合物剥离转移和后续磁化。钕铁硼颗粒渗透到多孔结构中形成磁性导电复合材料，并展示出了优异的机电性能以及磁性和生物兼容性（图1）。
图1: HMGN的制备与表征
基于该材料，研究团队制备了多模态传感，包括伏安法电化学传感、电生理传感以及温度传感，并研究了磁颗粒和磁畴对传感性能的调节。对于伏安电化学传感，磁性粒子通过磁流体动力和微磁流体动力作用，在极小尺度上施加洛伦兹力诱导对流，促进快速的氧化还原反应和电子转移。对于电生理传感，掺杂NdFeB颗粒增强了复合材料的亲水性，减少气隙和增强表面润湿，从而降低界面阻抗。对于温度传感，磁性颗粒内部电子的热运动以及磁畴的热运动协同作用增强灵敏度（图2）。
图2: HMGN用于增强的多模态传感
此外，课题组还提出基于HMGN的可逆、自对准的电学连接。有序的磁畴允许HMGN传感器自组装到具有磁性和导电互连的HMGN衬底上或从衬底上分离。传感器和衬底中的磁颗粒呈相反极性相互吸引，形成从传感器N极到衬底S极的连续导电路径。HMGN传感器和衬底的磁性吸引力在界面处形成了无缝连接。界面的电流-电压曲线表明其欧姆接触。与其他互连技术(如导线粘合和导电胶)相比，由磁吸形成的互连是可逆的和自对准的，不需要外部压力或加热（图3）。
图3: HMGN用于可逆、自对准的电学连接
课题组利用基于HMGN的多模态传感以及可逆、自对准的电学连接，测量了健康人体的心电图、皮肤阻抗、皮肤温度以及汗液中离子和代谢物的浓度，展示了基于HMGN的柔性电子器件的多模态可重构，包括可重构的灵敏度、空间分布和传感模态。
图4: 基于HMGN的可重构柔性电子
总结来说，HMGN可以实现柔性电子的重构，用于各种生物医学应用，在协助诊断和治疗许多人类疾病方面具有潜力。其进一步的发展包括扩展HMGN的传感模态，以针对更多样化的物理和生化条件；改进自对准互连，以协助在大范围内组装小型设备；以及开发完全集成的可重构柔性电子，包括前端传感模块和后端电路模块。
该成果发表在Advanced Materials，题为“Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics”。未来技术学院博士生项泽华为论文第一作者，韩梦迪为论文通讯作者。
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