近日，一個(gè)日本科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種可用于印刷的新型彈性導(dǎo)體，該導(dǎo)體在拉長(zhǎng)至原長(zhǎng)的5倍后仍可保持高導(dǎo)電性。
此種新型材料被制成膏狀的油墨，可以在紡織品和橡膠表面打印成各式各樣的圖案，作為可拉伸導(dǎo)線為具有傳感功能的可穿戴設(shè)備導(dǎo)電，也可為機(jī)器人的體表賦予類似人類皮膚的功能。
圖 | 用印刷的方法制成的彈性導(dǎo)體在拉力作用下仍可維持高導(dǎo)電性。即使彈性導(dǎo)體被拉長(zhǎng)到原來(lái)長(zhǎng)度（上方圖片）的 5 倍，通過(guò)其導(dǎo)電的發(fā)光二極管（LED）仍保持高亮發(fā)光
用于監(jiān)測(cè)人們健康水平或心率，肌肉活動(dòng)等身體狀況的可穿戴設(shè)備正在發(fā)展之中，一些產(chǎn)品也早已面向市場(chǎng)。除了目前已有生產(chǎn)加工領(lǐng)域之外，健康護(hù)理和零售等領(lǐng)域的機(jī)器人時(shí)代也即將來(lái)臨，這些發(fā)展都意味著彈性導(dǎo)體未來(lái)的應(yīng)用將急劇增加。
“顯然，對(duì)可穿戴設(shè)備和機(jī)器人的需求在持續(xù)增長(zhǎng)，”主導(dǎo)研究的東京大學(xué)工學(xué)系研究科 Takao Someya（染谷隆夫）教授說(shuō)道，“我們覺(jué)得能印刷的彈性導(dǎo)體對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品的發(fā)展，滿足人們的需求尤為重要”。
為了達(dá)到高拉伸性和高導(dǎo)電性，研究者們使用 4 種材料混合制作彈性導(dǎo)體。目前用于印刷的導(dǎo)電膏體由微米級(jí)的銀（Ag）屑、氟橡膠、含氟表面活性劑（用于減小液體表面張力的材料）和用于溶解氟橡膠的有機(jī)溶劑組成。
目前的導(dǎo)電膏體性能比他們?cè)?015年研制的彈性導(dǎo)體有了明顯的提高。
圖 | 來(lái)自東京大學(xué) Someya（染谷）團(tuán)隊(duì)。將微米級(jí)的銀屑與其他材料混合得到復(fù)合膏體，用此膏體進(jìn)行印刷就可以獲得銀微粒，而原本的膏體材料里并不包含銀微粒。這些排列緊密的銀微粒將分散在氟橡膠中的銀屑連接了起來(lái)
未拉伸前，彈性導(dǎo)體的電導(dǎo)率為4972西門(mén)子/厘米，按照一般標(biāo)準(zhǔn)是非常高的電導(dǎo)率。拉長(zhǎng)至原長(zhǎng)三倍后，電導(dǎo)率為1070西門(mén)子/厘米，幾乎為之前所開(kāi)發(fā)的導(dǎo)體電導(dǎo)率（192西門(mén)子/厘米）的6倍。拉長(zhǎng)至原長(zhǎng)的5倍后，新導(dǎo)體仍然維持了高達(dá)935西門(mén)子/厘米的電導(dǎo)率，在同樣程度的拉伸中，這是最高的紀(jì)錄。
經(jīng)過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）的放大，研究者發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體性能優(yōu)異的原因是銀（Ag）微粒的自發(fā)形成，這些銀微粒僅有銀屑尺寸的千分之一，在復(fù)合導(dǎo)電膏體印刷并加熱之后均勻地散布在氟橡膠中的銀屑之間。
科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整某些變量，比如氟橡膠的分子量，可以控制銀微粒的數(shù)量和分布，而加入表面活性劑和加熱可以提高微粒形成的速度并影響微粒的尺寸。
圖 | 來(lái)自東京大學(xué) Someya（染谷）團(tuán)隊(duì)。這個(gè)手套的每一個(gè)指尖上壓力傳感器都與一個(gè) LED 連通，LED 的亮度隨著指尖的壓力變化而變化。這種手套可以用來(lái)感知難以檢測(cè)的壓力的大小
為了展現(xiàn)這種導(dǎo)體的可行性，科學(xué)家完全用印刷的方法制作了可拉伸的壓力傳感器和溫度傳感器，并與紡織品上的彈性導(dǎo)體連接起來(lái)，這些傳感器可以感受微弱的力,并能測(cè)量接近于室溫和體溫的溫度，并且在被拉伸到原長(zhǎng)度的3.5倍時(shí)仍給出精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。
這樣的性能使它適用于貼身的運(yùn)動(dòng)服裝的手肘和膝蓋等部位，或是機(jī)械手變形較大的關(guān)節(jié)處。
這種新型材料經(jīng)久耐用，并且適合高產(chǎn)量的印刷方式，如孔板印刷和絲網(wǎng)印刷等大面積印刷，因而易于安裝；其印刷過(guò)程中產(chǎn)生的銀微粒又為服飾、機(jī)器人和可變形電子器件等領(lǐng)域的許多應(yīng)用提供了更為經(jīng)濟(jì)的解決方案。
該團(tuán)隊(duì)目前正在尋找比銀屑成本更低的材料，同時(shí)也著眼于其他的有機(jī)聚合物，如無(wú)氟橡膠，也在進(jìn)一步探尋各種不同的材料組合和處理方法制作類似的高性能彈性材料。
