作者:沈春蕾 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/3/25 20:43:57
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鲍哲南团队Nature、Science两连发,论文一作讲述背后故事

 

作者|沈春蕾

北京时间3月24日和25日,美国斯坦福大学工程学院化工系主任鲍哲南团队接连在Nature和Science发文,介绍了一款可拉伸的显示器和一种制作电子皮肤的新方法。

两篇论文的一作是两位年轻的华人学者:张智涛和蒋圆闻,目前他们都在斯坦福大学从事博士后研究工作。鲍哲南是两篇论文的通讯作者,她是全球柔性电子皮肤研究的领军人物,也是美国工程院院士,并在2021年当选为中国科学院外籍院士、美国艺术与科学院院士

“真的很巧,两家出版社在近乎同一时间发表了我们的成果。”当《中国科学报》问及投稿期刊和发表时间时,鲍哲南表示,“很高兴我们的研究能得到Nature和Science编审的认可,也期待更多读者的关注。”

在“皮肤”上显示健康指数

手机或电脑的显示器可以很薄、很软,就像皮肤一样,贴在手臂上,甚至可以实时显示人体健康指数……

张智涛兴奋地向《中国科学报》介绍了他在Nature发表的最新研究成果,并肯定地表示,未来这些应用都将实现。

这是一项历时3年的研究成果,研究人员最初的设想是做一款电子皮肤显示器,形成电子皮肤和人们之间的交互界面。这也对技术指标提出了苛刻的要求,如高柔软性、高拉伸性、高亮度如何兼得。

电子显示需要用到发光材料,但现有的发光材料大多是共轭聚合物发光材料,其拉伸性能较差,材料内部存在大量电子陷阱,无法满足高亮度发光器件的制备需求。

为了让电子显示器有良好的柔软性和拉伸性,传统的解决方案是,将纳米材料嵌入到弹性聚合物基质中,或者在小的刚性单元之间引入可拉伸的桥梁结构。

研究显示,这些方案势必要牺牲发光器件的亮度、驱动电压、拉伸性以及分辨率等。如果能找到一款自身具有拉伸性的聚合物材料,上述难题也将不复存在。

寻找这样的材料并不容易。张智涛告诉《中国科学报》:“我尝试了很多办法都没能有效提高拉伸性能。发光薄膜在拉伸的情况下很容易断裂,发光性能也受到严重影响。”

在反复思考验证后,张智涛发现一种名为SuperYellow的黄色发光聚合物与聚氨酯(一种弹性塑料)混合时,不仅变得柔软而有韧性,还会发出更明亮的光。

实验进展和结果都很不错,张智涛却无法解释出现这样结果的内部原因。鲍哲南给出建议,可以通过做详细电学和光学表征来进行研究和证明。

除了聚合物发光材料的设计,这项研究的另一个亮点是多层器件结构的构建。张智涛通过优化发光器件中每一层材料,最终得到了高亮度的可拉伸全聚合物发光二极管。

来自斯坦福大学的消息称,利用该材料制成的显示设备最大亮度至少是手机的两倍,并且可以拉伸到原始长度的两倍而不撕裂。

鲍哲南对这项研究成果的评价是:“由此诞生的新型显示设备不仅能显示我们需要的信息,还能让我们与信息进行直接交互,比如显示设备可以根据我们发出的指令做出响应。”

首次记录章鱼的肌肉信号

蒋圆闻发表在Science的研究突破,则与章鱼有关。

他们利用具有高拉伸性和高密度的导电材料,首次记录了章鱼触脚运动过程中的精细肌肉信号。在相同实验条件下,传统的硬质电极材料连保持稳定接触都做不到。

“这是我很喜欢的一项研究,因为它很好地诠释了化学之美,并且展示了通过材料创新,我们可以开辟新的应用场景,尤其是在神经工程等新兴领域上。”鲍哲南对蒋圆闻等人的研究给出了自己的评价。

在早期的研究工作中,为了突破现有导电材料无法综合兼顾力学和电学性能的瓶颈,研究团队经历了一次次失败后,最终设计出更为合理有效的结构——在导电高分子材料中引入了拓扑交联网络,并实现了创纪录的高拉伸性、高导电性和高分辨光图案化的性能优势。

“在寻找生物应用过程中,我们早期比较专注于在人体皮肤测试表面肌电。虽然结果还不错,但并不能完全突出我们器件的全部优势。”蒋圆闻告诉《中国科学报》。

从人体到软体,这是鲍哲南给蒋圆闻的提议:“可以考虑在其他更需要柔性设备的方向上进行尝试。”

“鲍老师给我们指出了很关键的研究方向。”随后,蒋圆闻在软体动物上进行了测试,并发现不仅可以直接突出柔性可拉伸器件的优势,整个应用还更具有说服力。

在实验中,蒋圆闻选择了具有代表性的软体动物——章鱼,并首次记录了章鱼触脚运动过程中的精细肌肉信号。利用获得的高质量电生理信号,研究人员可以对软体动物独特的分布式智能系统进行更深一步的解码研究,有望研制出更加智能的人造软体机器人。

这条章鱼给蒋圆闻带来了全新的思路和实验结果,就像蒋圆闻所说:“最终的结果都是一开始无法预测的。”

在随后的实验中,研究团队实现了一系列过去难以实现的生物医疗应用,特别是针对柔软且精细的组织,包括以高分辨率稳定记录软体动物的肌肉信号,以及通过脑干实现单核团级别精准神经调控。

研究团队选用大鼠来模拟脑外科手术,首次将该材料制备的神经电极运用在脑干等不规则并且高度易损伤的区域,并通过电极阵列精准定位到单个神经元的精度,以热图的形式快速且准确地勾勒脑干神经核团。

未来,这款神经电极有望成为脑外科手术的好帮手,也有望为脑机接口提供新的方案。

柔性电子材料让梦想成真

《中国科学报》获悉,张智涛即将回国组建自己研究团队。这几年在鲍哲南课题组的工作经历让他感触颇深:“博士后阶段的工作将成为我迈向独立PI的重要一步,不仅培养了我独立思考和解决问题的能力,还学会主动去寻找身边的合作者。课题组的成员来自不同国家,拥有不同的研究背景,合作更加方便。”

对此,蒋圆闻也表示认同。他博士毕业于芝加哥大学化学系,期间经历了一个实验室从零开始搭建的全过程。加入鲍哲南课题组后,他也来到了一个更大的实验室,锻炼了自己和不同领域的专家协同合作的能力。

张智涛和蒋圆闻也是对方论文的共同一作。

心有多大舞台就有多大。从十多年前专注传感器的研究,到如今聚焦人造电子皮肤的研究,鲍哲南希望人们借助人造电子皮肤,不仅可以触摸到事物,还能感知并看见。

她曾在演讲中提到,未来的手机功能将融入到人们所穿的衣服、贴在身上的电子透明膜,甚至是植入到体内的电子器件中。

实现这一梦想的关键在于材料。

“我们团队花了很长时间才开发出这种材料,该材料让未来的可拉伸电子产品的出现成为可能,其中透明的可拉伸导体是关键部件。”鲍哲南告诉《中国科学报》,“为了改进这种材料,我们还有很多工作要做。”

相关论文信息:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-1

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7564

 
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