纳米人-她，Nature、Science二连发！

她，Nature、Science二连发！

奇物论 2022-03-25

鲍哲南，斯坦福大学化工学院、材料学院终身教授，斯坦福大学化学工程学院院长，是第一个在斯坦福当院长的华人女性。美国国家工程院院士、美国国家发明学会的成员，斯坦福大学可穿戴电子中心创始人和主任，未来科学大奖科学委员会委员。鲍哲南于2010年底作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立，2011年获得影响世界华人大奖，入选全球顶尖100材料科学家名人堂榜单，2015年Nature年度人物，2016年当选美国工程院院士,2017年获得世界杰出女科学家奖。

鲍哲南教授的研究领域包括功能有机高分子材料的合成、有机电子器件的设计与制造、有机电子器件的应用开发等。这些研究方向具有多学科交叉性，涉及的概念和专业知识包括化学，化学工程，生物医学工程，材料科学和工程，物理，和电气工程等。目前课题组感兴趣的器件包括有机/碳纳米管薄膜晶体管、有机光伏电池、化学/生物传感器和分子开关等。这些器件一方面作为基本电荷传输和光物理研究的表征工具，另一方面可用于纳米尺寸电子器件、新型能源、低成本和大面积的柔性电路、显示器和一次性传感器等领域。

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昨天，鲍哲南教授团队在Nature报道了一种可拉伸的全聚合发光二极管设计策略和制造工艺，具有高亮度（~7450 cd/m²），电流效率（~5.3 cd/A）和可拉伸性（约100%应变）。作者制造的可伸缩红色、绿色和蓝色全聚合物发光二极管，可实现皮肤无线供电和脉冲信号的实时显示，这项工作意味着在高性能可拉伸显示器方面取得了重要进展。

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今天，鲍哲南教授团队再次在Science发表柔性电子器件的重要成果，实现了同时具有高导电性、可拉伸性和光图案性的导电聚合物，并展示了在软体章鱼和大鼠脑干中的生物电子应用。这一策略的开发为柔性电子材料和器件的发展开拓了更广阔的前景。

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可植入和可穿戴的生物电子系统在生物医学应用中必不可少，包括用于疾病诊断的生理信号的多模式监测、用于治疗的神经或心脏活动的可编程调制、修复失去的感觉运动功能以及增强现实。然而，许多这些现有设备在动态移动的组织环境中运行时会出现性能下降，有时甚至会出现故障。这主要源于电子和生物系统之间的机械失配（例如，模量和拉伸性），将不可避免地导致两者界面的脱离。为了在生物电极界面上保持有效的电信号交换，科学家们已经努力使刚性电子和无机材料与软生物组织兼容，同时，本质上可拉伸的有机电子产品正迅速成为具有几个特定优势的有前途的候选者。

首先，它们不受刚性材料的整体系统可拉伸性和器件密度之间固有矛盾的影响。

其次，导电聚合物的高体积电容可以降低电极-组织界面阻抗，特别是在生理相关频率范围（<10 kHz），这允许高记录保真度和有效的激励电荷注入。

然而，现有的可拉伸导电聚合物一旦被微加工成生物电子器件，其电导率就会太低。因此，仍然需要刚性金属互连，这大大削弱了软导电聚合物的优势。

有鉴于此，斯坦福大学的鲍哲南教授团队研发了一个合理设计的拓扑超分子网络，以同时实现生物电子学的三个重要目的，包括：

1）具有高导电性的生物相容性和可拉伸导电聚合物；

2）直接光图案化到细胞水平的特征尺寸

3）在微细加工后保持高拉伸性，在 100% 应变下不形成裂纹。

所有这些特征对于低阻抗和无缝生物整合都是必不可少的。

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图1. 本征可拉伸有机电子器件，用于多模态和共形生物界面。

研究者设计了一种基于聚轮烷结构的可交联超分子添加剂，并提出了一种关键假设，将拓扑结构纳入分子设计可能达到使用多个分子构建块来解耦竞争效应的目的，从而满足复杂的要求。在生理环境中同时获得了高电导率和开裂应变，到细胞尺度下仍然实现了直接光图案化效果。研究者进一步收集了柔软且具有延展性的章鱼身上的稳定肌电图信号，并进行了局部神经调节至单核精度，以通过脑干控制器官特异性活动。

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图2. 基于 PR 的拓扑网络能够同时增强PEDOT:PSS 的导电性、拉伸性和光图案性。

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图3. 完全交联的拓扑网络后处理，可以实现创纪录的高电导率和拉伸性

具有机械交联结构的导电聚合物拓扑网络可以在硫酸浸渍过程中保存下来，酸处理后的薄膜显示出具有高强度的高阶衍射峰，而 (100) 峰偏移到更大的 q 值，这表明更密集的层状堆积和更长的有序性。π-π (020) 峰也出现在面内方向，表明 PEDOT 主链之间π-π堆叠的长程有序性。这些特征使得薄膜可以实现大应变同时保持良好的导电性。在生物体中测试时能表现出优异的循环性。

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