近日，北京大學研究員課題組開發了一種新材料——硬磁導電覆合材料。相比以往的可重構電子器件，這種基於硬磁導電覆合材料的柔性電子器件具有以下優勢：
其一，不僅在功能上具有可重構性，而且在靈敏度和空間覆蓋範圍上也具有可重構性。這是因為硬磁導電覆合材料既可以作為感測材料，也可以作為柔性電子器件的電學介面。
其二，無需依賴額外材料（例如用於毛細力連線的液體介質），也無需依賴鐳射機、3D 印表機等裝置。這是因為對於硬磁導電覆合材料來說，它能在磁學輔助的幫助之下，實現可逆自對準的電學連線。
同時，多孔石墨烯導電網路、磁性顆粒、以及磁疇的協同作用，可以增強基於硬磁導電覆合材料的柔性電子器件的效能，提高它在電化學感測、電生理感測、溫度感測上的效果。
（來源：Advanced Materials）
具體來說：於電化學感測而言，磁性顆粒可以促進電子轉移，從而提高感測靈敏度；於電生理感測而言，由於摻雜磁性顆粒存在親水性，因此電生理的電極阻抗也會降低；於溫度感測而言，磁性顆粒內部電子熱運動和磁疇熱運動，能夠增強對於溫度的靈敏度。
其三，對於基於硬磁導電覆合材料的柔性電子器件來說，由於它具有硬磁特性，因此可以透過可逆和自對準的方式，實現與其他電子元件的連線。
這樣一來，透過調整磁性顆粒的磁化強度，或者調整摻雜磁性顆粒的比例，就可以調節兩種硬磁導電覆合材料之間的介面粘附性，讓它們形成電學連線，實現可逆的組裝和拆卸。
針對健康受試者的實驗表明，基於硬磁導電覆合材料的柔性電子器件，可以測量心電訊號、皮膚阻抗、皮膚溫度、以及汗液中離子和代謝物的濃度，在靈敏度、空間分佈、感測模態都具備可重構的特點。
由此可見，硬磁導電覆合材料是一種富有前途的材料，能用於構建可重構的柔性電子器件，針對物理訊號和生化訊號，進行連續、多模態、可定製的測量，從而用於各種生物醫學領域，在協助診斷和輔助治療上發揮作用。
（來源：Advanced Materials）
此外，課題組還分析了這種材料的感測機理——多孔導電網路、磁性顆粒、以及磁疇的協同作用。
透過此，為製備柔性電子器件提供了一種先進材料，助力於打造可手動連線和可手動分離的可重構柔性電子器件，併為人機介面和可穿戴器件提供了潛在機會。
總的來說，基於磁性導電覆合材料的可重構柔性電子器件，尤其在以下兩個方面，具有廣泛的潛在應用價值：
首先，能實現可重構效能的單個器件應用。
在眾多感測器的應用之中，靈敏度與感測範圍的矛盾一直是個難以克服的問題。此前，要想提高感測器的靈敏度，往往會犧牲其探測範圍，反之亦然。
而該團隊利用磁性材料的可逆磁吸特性來改變感測器的結構，從而實現了感測效能的動態調節。
這種方法可以在不更換感測器的情況下，根據實際需要來調整靈敏度和感測範圍，從而能夠大大提高器件的適用性和靈活性。
對於需要在不同環境條件下、或對不同型別訊號進行監測的應用場景來說，上述能力具有重要意義。
其次，能實現多模態的感測應用。
在生物醫學領域，多模態感測技術的應用非常關鍵。對於那些病因複雜、病情發展階段變化較大的特定疾病比如癌症、心臟病等，傳統的單一模式或固定模式的感測器，往往無法滿足臨床需求。
而本次成果可以實現感測器功能的按需重構，以適應不同階段或不同型別的生物訊號監測。
例如：在疾病的早期階段，可能需要高靈敏度的生化感測器，來捕捉微量生物標誌物。而在疾病的治療階段，就需要調整引數，以便適應病情的變化。
同時，在個性化醫療和實時疾病監控等領域，這種靈活性也具有極大的潛力。
總體來說，這種基於磁性導電覆合材料的可重構技術，為解決傳統感測器靈敏度與感測範圍矛盾提供了一種新方法，也為多模態感測和個性化監測提供了新的可能。在智慧製造、環境監測、醫療健康等多個領域，都能帶來不錯的應用前景。
據介紹，柔性電子器件既能連續監測多種生物物理訊號例如心率、血壓、體溫，也能監測多種生化訊號例如體液中的離子和代謝物，從而能用於生物醫學中的連續監測，以及用於機器人中的操作和互動。
但是，柔性電子器件的靈敏度、功能模態和空間分佈，依舊不能按需調整。這主要是因為器件中的感測層和電學介面層是完全固定的，無法實現可逆的調節。
近些年，儘管也有一些可重構柔性電子的成果，但是必須採用特定材料或特定裝置才能進行重構，因此並不具有普適性。並且僅能進行單一維度的重構，缺乏多維度可重構的能力。
研究伊始，課題組先是調研了柔性電子領域的整體發展態勢，藉此發現大部分柔性電子器件的功能結構都是固定的，無法進行按需調整。
而此前的可重構柔性電子器件，也存在必須依賴特定裝置或特定材料進行重構、以及存在僅能進行單一維度重構等問題。為了解決這些問題，該團隊定下了這一課題。
隨後，他們選取磁性材料、導電材料和聚合物材料，綜合對比這些材料的柔性、磁性、導電性和魯棒性。
最終確定使用釹鐵硼作為磁性材料，使用聚二甲基矽氧烷作為聚合物襯底，以及使用鐳射誘導石墨烯作為導電材料。
接著，他們不斷摸索加工引數和材料配比，調整鐳射加工導電材料的引數以及磁性材料、導電材料、聚合物襯底三者的比例，從而讓導電結構得以擁有完整性、磁性強度和柔性。
進一步地，基於磁性導電覆合材料，他們打造了各類感測器，並對其效能加以對比。
之後，基於磁性導電覆合材料的磁學輔助電學連線，他們又設計了通孔結構，藉此增強電學介面的可逆性、魯棒性、導電性。同時，也設計了自對準的結構，藉此提升了對準精度。
同時，針對磁學輔助電學連線的效果、以及商用導電銀膠引線的連線效果，課題組也進行了對比，驗證了磁學輔助電學連線的可靠性。
此外，他們還對電學介面的柔性加以表徵，確保能夠實現可穿戴應用。
最後，他們利用基於磁性導電覆合材料的各類感測器、以及可逆自對準的電學連線，構建了多維度、可重構的柔性電子器件，並將其用於受試者在多種場景之中的健康監測，具體包括靈敏度、空間分佈、以及功能模態的可重構應用。
最終，相關論文以《用於多模式、可重構軟電子器件的硬磁性石墨烯奈米複合材料》（）為題發在 Advanced Materials[1]。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials
北京大學博士生項澤華是第一作者，擔任通訊作者。
圖 | 項澤華（來源：項澤華）
未來，他們打算全面提升和擴充套件基於硬磁導電覆合材料的可重構柔性電子技術，這將涵蓋以下幾個方面：
第一，擴充套件感測模態。
目前，本次工作主要集中在電化學感測模組上。接下來，他們計劃將研究重點轉移到物理感測模組例如壓力和振動等，從而讓感測器能夠監測更加多樣化的物理條件和生化條件，藉此極大增強應用領域和實用性。同時，他們也將深入探索磁性顆粒對於不同型別感測模組效能的影響。
第二，改進自對準互連技術。
針對此，他們計劃改進當前的自對準互連技術，實現更精確和可程式設計的磁吸控制。這種改進將有助於在更大範圍內組裝小型裝置，特別是在微奈米尺度的裝配中顯得尤為重要。
透過這種方法，可以實現更精細和高效的器件組裝，為製造更小、更復雜的感測器系統提供可能。
第三，開發完全整合的可重構柔性電子。
課題組的長期目標是開發一種完全整合的可重構柔性電子系統，包括前端感測模組和後端電路模組的緊密整合。
根據不同應用場景的需要，可以靈活選擇和重構前端模組和後端電路模組，實現從器件到電路的完全按需可重構。這使得同一套系統可以適用於多種不同的應用場景，從而極大提高適應性和成本效益。
第四，應用場景的拓展和深化。
透過上述技術的發展，他們希望將這種可重構的柔性電子系統應用於更廣泛的領域，比如可穿戴裝置、生物醫學監測、環境監測、智慧製造等。
參考資料：
1.Xiang, Z., Wang, H., Zhao, P., Fa, X., Wan, J., Wang, Y., ... & Han, M. (2023). Hard Magnetic Graphene Nanocomposite for Multimodal, Reconfigurable Soft Electronics. Advanced Materials, 2308575.
運營/排版：何晨龍、劉雅坤
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