【材料】ACS Nano：中大周剑副教授团队在基于可穿戴设备的一维弹性导体方向发表最新进展

导读

近日，中山大学材料科学与工程学院周剑副教授团队对实现一维弹性导体的可拉伸性和导电性的制造方法与形成机理进行深入探究，并总结了目前可穿戴织物的研究前沿以及对未来发展的期待与展望。文中重点总结了纤维结构设计实施策略（共轴，屈曲，断裂等）以赋予一维导体良好的可拉伸性以及电阻稳定性；同时从材料选择的角度，文中涉及基于导电高分子、碳基纳米材料、液态金属，以及水凝胶、气凝胶材料，极大拓宽了可穿戴材料领域对于材料选择的认知，对日后开发新型一维导体指明了前进方向。

可连续制造的一维弹性导体对可穿戴的柔性电子织物的发展具有重要意义。目前可采用涂敷、打印、纺丝等制造方法，得到一维的纤维、纱线或织物，以满足对可穿戴材料功能的各类要求。一维弹性导体作为可穿戴织物的基本支撑结构，其在纤维层面上的化学组成以及结构设计是实现最终织物多功能性的最有效的途径，然而目前这方面缺少详细的方法归纳与理论分析。

图1. 一维弹性导体的独特性能以及广泛应用

鉴于此，中山大学材料科学与工程学院周剑副教授团队对实现一维弹性导体的可拉伸性和导电性的制造方法与形成机理进行深入探究，并总结了目前可穿戴织物的研究前沿以及对未来发展的期待与展望。文中重点总结了纤维结构设计实施策略（共轴，屈曲，断裂等）以赋予一维导体良好的可拉伸性以及电阻稳定性；同时从材料选择的角度，文中涉及基于导电高分子、碳基纳米材料、液态金属，以及水凝胶、气凝胶材料，极大拓宽了可穿戴材料领域对于材料选择的认知，对日后开发新型一维导体指明了前进方向。综述文章以“Stretchable One-Dimensional Conductors for Wearable Applications”为题，2022年12月在线发表于期刊《ACS Nano》https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08166。

图2. 不同结构的一维弹性导体示意图

一维导体材料可被制造成不同的结构（图2），不同方法以及制造工艺可将这些导体材料以不同的形态塑造成为一维纤维。本征一维导体材料通常是一些具有高电导率的材料，例如金属、导电高分子、碳基纳米材料等等，然而由于这些一维导体往往拉伸性有限，限制了其在可拉伸电子器件中的应用；商用的金属包覆的弹性导体由弹性芯材以及金属导电涂层两部分组成，虽然提高了纤维的拉伸性，但纤维的导电性会随拉伸迅速下降；而以导电纳米材料为填料、弹性聚合物为基质的纳米复合材料可在一定的拉伸范围内维持较高的电导率，文中对其电阻稳定性的机制以及影响因素进行了理论分析；目前，共轴结构已成为赋予一维弹性纤维导电性的一种行之有效的方法，通过对内部芯材以及外部包覆管材的结构与材料设计，可大幅度地提升一维弹性导体的拉伸性及电阻稳定性。

图3. 赋予一维弹性导体高拉伸性的策略

导电材料可大体通过六种策略赋予其良好的拉伸性能（图3）。对于一些本征一维弹性导体，形成二维或三维螺旋结构可赋予纤维特定的拉伸性能，并在施加以及释放应力时保持电阻的稳定性（图3-a）；对于导电纳米复合材料，是将导电纳米材料均匀填充到弹性基质中，纤维导电性与导电填料的本征电导率以及填料与非导电基质的复合态有关（图3-b）；碎片化通常指裂纹的倍增，在可控状态下会对材料整体力学和电学性能产生影响，通过拉伸时产生的高密度裂纹，刚性材料（如碳纳米管）在弹性体内的拉伸性能显著提高，且这些裂纹可形成无接触损耗的导电通路（图3-c）；共轴结构是赋予一维弹性纤维拉伸性及电阻稳定性的一种有效策略，对于本征刚性的导体芯材，可采用预拉伸的方式在卸下应力后形成屈曲结构，这样在纤维之后的拉伸过程中，屈曲结构将得以释放，从而赋予了纤维良好的拉伸性和电阻稳定性（图3-d）；而对于液态金属，由于其在受到形变时不储存机械力，在拉伸过程中液态金属在弹性管中的流动会导致纤维导电性没有大的损失，因此可作为具有超高电导率及拉伸性一维导体的填充材料（图3-f）；加捻是一种制造纱线的简易而又经典的方案，通过缠绕或过度缠绕可产生另一层级上的缠绕结构，同样可赋予纤维更高的拉伸性以及更优异的电阻稳定性（图3-e）。

尽管一维导体及其应用取得了令人鼓舞的进展，但可拉伸一维导体或设备原型仍处于成长和发展的早期阶段。在它们能够被大规模生产并完全集成到实际设备中之前，必须克服科学、工程和安全挑战。提出目前的挑战和探索可拉伸-维导体的方向是很有必要的。这就要求金属级的导电性、大变形下的结构或功能一致性、 长时间的耐久性、与纺织技术的整合、舒适性、可扩展性、安全性和成本效益。

这项工作对以电线、纤维和纱线形式出现的连续、可拉伸的一维导体的结构和制造策略的进展进行了调研。一维导体被分为三大类：刚性一维导体、压阻一维导体和电阻稳定一维导体。这篇综述着重于后两者的关键发展及其时间轴。本综述还总结了如何通过选定的制造策略来操纵材料的结构，以优化可拉伸一维导体的性能。例如，压阻式一维导体需要在变形时有明显的电阻变化,而电阻稳定的一维导体则需要在变形时有低而稳定的电阻。这样的特征可以通过特定的材料合成和制备方法来实现。综述回顾了具有代表性的可拉伸一维导体的最新进展，重点介绍了导电聚合物纤维、复合一维导体、碳纳米材料基一维导体、导电同轴纤维等。介绍了可拉伸一维导体作为可拉伸互连、可变形机械传感器、执行器和可拉伸加热器的应用。尽管各种可拉伸一维导体的演示原型显示了良好的前景，但它们仍然远远低于商业电子所要求的性能。

所述综述文章中，中山大学材料科学与工程学院18级本科毕业生聂明宇、特聘副研究员李柏霄博士为本文共同第一作者，周剑副教授为第一通讯作者。

文献链接：Stretchable One-Dimensional Conductors for Wearable Applications. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08166

中山大学材料科学与工程学院周剑团队介绍

研究方向：先进电子与纤维材料

研究兴趣：有机/无机半导体的合成制备及应用研究；先进纤维及织物电子的设计与应用研究；植物资源固废转化与应用研究；气凝胶新型制造方法及产业化应用研究；柔性电子技术与健康医疗

团队现有特聘副研究员1名，博士后3名，硕士5名。团队拥有完善的材料合成与表征实验室、材料加工与器件等实验室，中山大学东校园化学与材料综合楼中团队科研场地面积超120平方米。现已配置微型高分子合成反应釜，导电高分子液相和气相合成装置、冷冻干燥机、超临界干燥设备、真空手套箱、匀胶机、多通道温度采集系统、四探针表面方阻仪、新型离心纺丝机、小型及中试湿法纺丝机、纳米纤维素提取分离系统、激光雕刻切割机、真空管式炉、万能拉力机等实验设备与仪器。

团队与国内外多个课题组，包括美国加州大学戴维斯分校，加拿大英属哥伦比亚大学（UBC），澳大利亚迪肯大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、中科大、四川大学等建立了密切合作关系，在国际交流中形成了良好的学术生态环境。

本课题组长期招聘具有材料、化学、物理、机械、电子等背景的本科生、硕士、博士后、特聘副研究员、特聘研究员和国内外访问学者来进行学习与研究。现有新型有机/无机半导体的合成制备、植物资源固废转化与应用、高性能纤维与气凝胶材料, 锂电池软包铝塑膜等方向的博士后需求。

课题组主页：

https://mse.sysu.edu.cn/teacher/126

https://www.x-mol.com/groups/zhou_jian

来源：中山大学材料科学与工程学院