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柔性屏幕、柔性芯片……柔性电子技术未来大有可为

柔性屏幕、柔性芯片、柔性电极只是冰山一角

在“硬质”世界里，柔性电子技术大有可为

本报记者刘园园

折叠屏手机已上市，柔性芯片也来了，马斯克刚刚发布的脑机接口系统，让可植入大脑的超细柔性电极火了一把。尽管如此，在以“硬质”为主导的电子世界里，柔性电子技术才刚刚起步。

日前，第二届柔性电子国际学术大会(ICFE 2019)在杭州举行。会议期间，中国科技新闻学会和光明网还联合举办了以柔性电子技术为主题的第二期“科学麻辣烫”科学沙龙活动。

科技日报记者采访了解到，方兴未艾的柔性电子技术，要实现与现有电子系统“刚柔并济”，还需要突破不少挑战。

力学与封装是两大难题

柔性屏幕、柔性芯片、柔性电极只是柔性电子技术的冰山一角。实际上，信息技术所涉及的传感、信息传输、信息处理、能源存储等多种环节都有望实现柔性化。

据介绍，柔性电子概念最早可追溯至对有机电子学的研究，大约起步于上世纪60年代，当时科研人员试图用有机半导体替代硅等无机半导体，从而使有机电子器件具备柔性特点。

“现在柔性电子技术仍处于起步阶段，研发人员很多时候在尝试，试图突破传统思路，创造新的领域和产业。”清华大学柔性电子技术研究中心主任冯雪说。

不难想象，作为一个新兴领域，目前柔性电子技术的研发过程仍充满重重挑战。

清华大学材料学院副院长沈洋认为，整体而言，目前柔性电子技术主要面临两个挑战。“第一个挑战是力学问题，柔性电子元器件在反复折叠、弯曲时会不断承受交变应力，时间久了容易开裂、出问题，目前主要通过结构设计克服这个问题。”沈洋说，第二个挑战是电子封装问题，就是把在柔性基板上集成的部件严丝合缝地封装在一起，并实现预期功能。

南洋理工大学材料科学与工程学院教授陈晓东以柔性传感器举例说，一方面，现阶段还缺乏可靠的制备工艺实现大规模生产。另一方面，科学家仍在探索如何让柔性传感器与人体形成可靠的黏附界面层，并具备生物兼容性。此外，动态耐受性也是柔性传感器面临的重要考验，因为它常常需要在用户身体处于动态的情况下采集数据。

二维材料或是未来选择之一

在柔性电子器件的材料选择上，科研人员也在不断摸索。

沈洋介绍，美国西北大学教授约翰·罗杰斯是柔性电子领域的先驱之一，罗杰斯的研究证实，像硅这样原本又硬又脆的材料，在变得非常薄或尺度非常小之后，会具有一定柔性。

这当然是个好消息。因为硅在目前半导体材料中占主导地位，把硅基片柔性化，可以说是实现柔性电子系统的“捷径”。

“一代材料一代器件，材料是我们做电子器件最重要的基础之一。目前我们正在探索将硅基电子元器件柔性化的同时，又保证其高频、高速的导电特性。”冯雪说。

不过，受摩尔定律制约，硅基半导体的性能几乎发挥到淋漓尽致，逐渐接近天花板。对于柔性电子领域而言，探索新的适用于不同应用场景的柔性材料，也变得迫切起来。

陈晓东介绍，目前国际上对柔性电子材料的选择主要有两种思路。一种思路是从传统的无机材料转向有机材料，比如将高分子材料、有机半导体用于柔性电子材料。另一种思路是将有机材料和无机材料相结合，使用所谓的混合材料来研发柔性电子技术。

自石墨烯被制备出来后，由单层原子构成的锡烯、二硫化钼和黑磷等二维材料受到半导体行业关注。沈洋在接受科技日报记者采访时表示，二维材料的相关研究也将有益于柔性电子技术发展。

“很多二维材料已经表现出比传统硅材料更加优越的性能，比如更高的电荷迁移率，更小的功耗等等。”沈洋认为，研究基于二维材料的柔性电子元器件，可能是未来的发展方向之一。

来源：科技日报

浙大团队解锁MOF薄膜可拉伸性能，为分离膜和柔性电子挖掘新潜力

“我要去做博后继续从事科学研究，你们开多少薪水都是没有用的。”2016 年当赵俊杰从美国北卡罗莱纳州立大学博士毕业时，有很多企业通过其导师、或直接向他抛出橄榄枝。但是，他都一一谢绝了。

后来，他在美国麻省理工学院完成博士后研究，并于 2018 年回到母校浙江大学担任“百人计划”研究员一职。

图 | 赵俊杰（来源：资料图）

他表示：“做学术是一条更有挑战的路，但是能让自己更有成就感和收获感。至少到现在我依然不后悔这个选择。”

凭借这份坚持不懈和迎难而上，他和团队在最近收获了一篇 Science 论文。

在这项研究中，他和团队提出一种金属有机框架的新型薄膜结构形态，并为此开发出一种独特的合成方法。

通过构建限域界面合成的方法，采用对“反应-扩散”的控制手段，他们获得了含有多种图灵图案的褶皱金属有机框架薄膜。

这种薄膜即便承受高达 53.2% 的应变也不会被破坏，并能像“贴纸”一样在不同基底之间实现转移。

基于这样的褶皱结构，赵俊杰和团队不仅解锁了金属有机框架薄膜可拉伸的性能，也赋予了金属有机框架薄膜“即插即用”的潜力。

“从金属有机框架薄膜的褶皱结构、到合成方法、再到通过转移进行集成应用的方式，这些方面都比较新颖。”他说，“可能这是我们的研究成果能够被 Science 录用的主要原因。”

在论文中，他和团队主要探索了两种潜在应用场景：

其一，打造可用于氢气/二氧化碳分离的膜材料。这对于氢气提纯、氢能发展具有重要意义。通过膜分离提高降低化工分离过程的能耗，也将能助力于打造低碳绿色型的化学工业。

其二，由于这种薄膜材料能和柔性基底实现良好的贴合，因此可被用于制备柔性湿度传感器。未来也有希望在电子皮肤、柔性器件和可穿戴设备等领域获得应用。

（来源：Science）

慧鸟也先飞，大三开始搞科研

值得注意的是，在完成这项研究的时候，本论文的第一作者罗昕宇还只是一名刚完成硕士学业的研究生。

赵俊杰坦言，尽管完成本次研究之时，论文一作罗昕宇刚硕士毕业。但是，罗昕宇早在 2018 年读大三的时候，就已经进入实验室接受科研训练。

因此，在他做本科毕业设计课题时，赵俊杰向他提出：能否通过聚合物覆盖层去控制“反应-扩散”的过程，进而构建限域界面合成金属有机框架的方式？

于是，从大四开始罗昕宇就开始研究这项课题，这一过程并不顺利直到硕士第一年，他仍然在摸索。

前期因为选用的聚合物覆盖层材料都不太理想，所以在制备金属有机框架褶皱薄膜的过程中，经常会出现缺陷、裂纹等情况。

经历了一系列挫折以后，2022 上半年他们改用了嵌段聚合物弹性体作为覆盖层。

这种聚合物的特点是：

首先，它本身模量很低、断裂伸长率非常大，因此在金属有机框架形成褶皱的过程中不会破坏聚合物覆盖层的连续性。

其次，这种聚合物本身也可以用作气体分离膜，因此这个覆盖层不会产生太大的传质阻力。

在将嵌段聚合物的弹性体作为覆盖层之后，他们在实验中看到了令人十分欣喜的图案，也意味着这项研究终于有了实质性的进展。

随后，他们又通过数学建模和实验验证，深入理解图灵图案的形成机制，并且实现了对图案形成的良好控制。

另外，他们还针对褶皱薄膜的力学性能加以分析，采用了一系列的表征方法证实了这种薄膜的确能够承受较大的拉伸应变。

最后，他们还针对褶皱薄膜开发出一种灵活集成的方法：只需要采取简单的转移方式，就能将它贴合到不同的基材表面，从而制备出气体分离膜和柔性传感器等。

（来源：Science）

已获保研却因病休学，康复后重新考研并发表 Science 论文

事实上，本论文第一作者罗昕宇的求学经历，远比想象中艰难。赵俊杰说：“他是 2018 年读大三时进入我实验室的，但是本科毕业却是在 2021 年 6 月份。他的个人经历远比本次研究更加坎坷。”

2019 年下半年，原本是罗昕宇开始读大四之时，他就顺利拿到了保研本校的名额。

当时作为导师的赵俊杰也很开心，因为这意味着罗昕宇可以直接留在组里继续开展上述课题。

非常不巧的是，2019 年 10 月左右，罗昕宇突发疾病，之后经历了多轮手术。

于是，罗昕宇因病休学一年，而且不得不因此放弃原来已经获得的保研资格，因为保研一般要求学生必须在四年内完成本科学业。

后来，他又重新考研，再被录取到浙江大学化学工程与生物工程学院，然后才重新启动本次课题。

赵俊杰说：“罗昕宇经历过许多挫折、磨难，所以比同龄人成熟很多。而在科研中，他的专注度和毅力也都超乎常人。这也是他能把这项研究做得非常成功的原因。”

在 2024 年下半年，罗昕宇即将去美国麻省大学攻读博士学位。

赵俊杰补充称：“所有参与这项研究的师生展现出的团队协作精神也同样让我非常感动。”

论文第二作者张铭、第三作者胡予缤，从不计较个人的得失，在课题攻关阶段全力投入，为研究褶皱薄膜的力学性能、构效关系付出了巨大的努力。

此外，浙江大学罗英武教授、陈圣福教授、周昊飞研究员、徐彦副教授、郝胤喧，上海同步辐射光源许子健、陈省，新加坡国立大学林艺良助理教授也为这项研究做出了很大贡献。

图 | 左起：张铭、胡予缤、罗昕宇、赵俊杰（来源：资料图）

在他们的努力之下，本次论文最终以《具有可调图灵图案的褶皱金属-有机框架薄膜用于柔韧集成》（Wrinkled metal-organic framework thin films with tunable Turing patterns for pliable integration）为题发在 Science[1]。

浙江大学硕士毕业生罗昕宇是第一作者，赵俊杰担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Science）

接下来，该团队还将进一步拓展褶皱金属有机框架薄膜的适用体系，以便制备更多类型的金属有机框架薄膜。

此外，课题组还希望能与柔性电子器件的团队开展合作，进一步地探索褶皱金属有机框架薄膜在可穿戴设备中的应用。

参考资料：

1.Luo, X., Zhang, M., Hu, Y., Xu, Y., Zhou, H., Xu, Z., Hao, Y., Chen, S., Chen, S., Luo, Y., Lin, Y., Zhao, J. (2024). Wrinkled metal-organic framework thin films with tunable Turing patterns for pliable integration.Science, 385(6709), 647-651.

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