科学101 | 柔性电子，以柔克刚
科学101
科研是否只与科学家相关？
你是否也想知道实验室里发生的故事？
国际校区的研究者将用通俗易懂的文字
讲述对未知的探索，
让学术研究走进“普通人”的世界。
本期【科学101】由彭博宇博士带您
一起走进柔性电子的故事
作 者 介 绍
彭博宇博士
国际校区功能高分子国际研究中心
专职研究员
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2016年博士毕业于香港大学，随后于香港大学进行博士后研究。2020年7月加入浙江大学，现在国际校区功能高分子国际研究中心从事柔性电子学，包括柔性逻辑电路、柔性传感和柔性显示等方向的研究。
柔性电子，以柔克刚
如果你穿越回100多年前，去问那正在华山论剑的爱迪生和特斯拉：能否用轻便的纸张、布匹、塑料等材料取代昂贵的金属材料来传输电力？两位大神一定会觉得你在毫无根据地异想天开。
然而，这一异想天开却在20世纪70年代逐渐变成了现实。
“导电塑料“”的发现
70年代前期，日本筑波大学的化学家白川英树教授用一种新的方法合成了黑色聚乙炔薄膜。一次，他的学生看错了配方，误加入成千倍催化剂，结果合成了漂亮的银色薄膜。此时，在世界的另一边，化学家Alan G. MacDiamid教授和物理学家Alan J. Heeger教授正在合作从事无机聚合物（SN）x的金属薄膜研究。在东京的一次访问报告时，MacDiami教授在会间休息时偶遇白川，当他知道白川的发现后，马上邀请白川去宾夕法尼亚大学。在那里，跨学科合作的他们最终发现了“导电塑料”，也因为这一开创性的工作，共享了2000年诺贝尔化学奖，开启了一个崭新的有机电子研究领域。
图1.（a）聚乙炔的分子结构
图1. （b）获得2000年诺贝尔化学奖的3位科学家
柔性电子学
长久以来，人们认为物质的基本导电性是“天注定”，只能在较小的范围内进行调控。金属是导体，陶瓷是绝缘体，硅、锗是半导体，而导电塑料的发现证明了，人工合成的有机材料可根据需要表现出截然不同的导电性，这无疑大大拓展了化学、物理学、材料学、电子学的研究范畴，也颇具一种“人定胜天”的意味。
与金属等“坚硬”的材料相比，有机材料的突出优势在于“柔软”。或许每个人都不止一次经历过手机摔在地上导致屏幕碎裂甚至黑屏变砖的惨痛经历，相信在那电光火石的零点几秒内，一定有人产生过“如果未来的手机都是又轻又软不怕摔，该有多好啊？”这样的灵感火花。基于有机导体/半导体材料的柔性电子学，就在努力实现这个目标。但是科研工作者们的想象力不止于此，他们还希望未来的电子设备可以像科幻小说一样，穿在身上、印在皮肤上甚至和像胶一样可以随意地拉伸。
东京大学
染谷教授研究团队
“薄如蝉翼，轻如鸿毛”的有机逻辑电路，让人们不用再担心未来的电子设备会摔坏的问题。
斯坦福大学
鲍哲南教授研究团队
将数以万计的柔性晶体管集成在指甲盖大小面积内，真正实现了“智能皮肤”这个颇具科幻色彩的概念。
西北大学
J A Rogers教授
将柔性电子与生命健康领域结合，柔性、轻便、低功耗的柔性电路，可以在依附于皮肤或者植入皮下、大脑、内脏等关键部位，实现实时的物理和生物化学信号传感，对于疾病的早期诊断和治疗具有重要的意义。
以上这些柔性电子应用颠覆了人们对于电子器件的传统认知，拓展了电子器件的应用范畴，有望从多种方面改变人们的生产和生活模式。
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功能高分子国际研究中心
李寒莹教授团队
在国际校区，功能高分子国际研究中心李寒莹教授的研究团队致力于将有机单晶材料用于柔性有机电子器件中，既保持有机半导体材料本身的“柔软”特性，又获益于单晶材料具有的“规整”和“纯净”的优点。团队先后开展了有机单晶异质结、有机复合单晶、二维有机单晶等一系列具有鲜明特色的研究方向，在柔性逻辑电路、有机光伏、光电探测器等领域取得了突破，希望最终将柔性电子技术带入人们的日常生活中。
参考文献
[1] An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature 2013, 499, 458.
[2] Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits. Science, 2021, 373, 88.
[3] Epidermal Electronics. Science, 2011, 333, 838.
责任编辑 | 李亦楠
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