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首个自愈合弹性半导体问世:电脑可以穿在身上

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首个自愈合弹性半导体问世,仿生可穿戴设备实现里程碑式突破

资料图:类皮肤弹性半导体

近日,美国斯坦福大学研究人员首次制备出一种可用于制作晶体管的可自愈弹性聚合物,为新一代可穿戴设备开辟了道路,相关论文日前在《自然》期刊发表,《自然》同期评论文章中表示,该研究实现了复杂有机电子表面模仿人类皮肤,是仿生学发展的一座里程碑。

斯坦福大学研究人员通过将刚性半导体聚合物与柔性材料结合,制作出了像人体皮肤一样可以拉伸、形成褶皱、自我愈合的半导体,能够用于可穿戴设备、电子皮肤乃至柔性机器人。

这种新的聚合物在拉伸到原来尺寸的两倍以后,仍然保持原有的导电性能,与非晶硅的导电性能一致(非晶硅是制作控制液晶显示像素的晶体管阵列时会用到的材料)。

研究人员表示,制作弹性半导体聚合物一直以来都是个难题。弹性材料的典型设计规则是让材料更软、结晶度更低。但一般的高性能半导体聚合物,都需要高度结晶且硬度较高,导致材料硬且脆,容易碎裂。

为解决这个难题,研究人员首先使用含有二酮吡咯并吡咯(DPP)单元的聚合物(DPP中大量的碳键使其硬度和结晶度高);然后,在不改变聚合物整体导电性能的前提下,替换掉5%~10%的DPP,通过减少碳键的数量使材料变得更软;最后,研究人员再往其中加入另外一种更软、很容易形成氢键的弹性聚合物。由此得到了一种全新的材料。拉伸这种新材料时,里面的化学键会断开吸收机械能,而应力释放时,这些键又会重新结合起来。

这种弹性晶体管材料由两部分组成:一是刚性的半导体,二是连接这些半导体的无定形链。拉伸时,无定形链间由氢键连接,收缩时氢键断裂吸收机械应力。该材料经过1000次拉伸循环后(拉伸至双倍尺寸又重新缩回),开始出现一些裂纹,导电性也轻微降低。但使用溶剂蒸汽处理150℃的热板上加热之后,该材料可以自我愈合,并且几乎完全恢复原本的导电性能。

研究人员已经使用该聚合物制造出可以穿戴在肘部和踝部的弹性晶体管。研究团队正在从事将这种材料纳入传感器的研究,希望以后能开发出柔性可穿戴显示器。

可伸缩聚合物导体和绝缘体材料早已得到广泛应用,而合成具有可拉伸性质的半导体是世界首例,斯坦福大学团队将高弹性、自愈合和高效电荷传输性能“集成”进新型高分子材料中,实现了材料学、仿生学和电子学的重大突破,为新一代类皮肤可穿戴设备研制奠定基础。(中国船舶工业综合技术经济研究院 志伟)

今后,将在南下塘建设青创基地、高端民宿等。

心理学里有一个非常有名的实验:把一只饿了将近一个礼拜的老鼠放入迷宫,在迷宫的出口处放一块它最喜欢吃的饵。因为饥饿的驱使,它会循着迷宫的道路找到出口。当它看到那块饵时,会迅速向前冲。实验者在出口处布置了一个电击区,因为电是无形、看不到的,这只老鼠向前冲时,受到电击,老鼠痛得大叫,迅速地向后退。可是因为电是无形的,它看不到任何使它痛苦的东西,再加上饥饿的驱使,这只老鼠再一次向前冲,它又受到电击,再次吱吱大叫地向后退。然后它开始犹豫,可是饥饿使它依旧向前冲。经过这样数次电击后,这只老鼠终于放弃了,它张着嘴巴,呆呆地望着那块饵,它不敢再往前冲,因为痛苦的感觉已经超过了饥饿的需求。生命的本能,存在的本能,害怕死亡、害怕不存在的本能,已经迫使它放弃自己的饥饿。

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发布时间:2018-02-21 01:02:13

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