用于皮肤电子产品的高导电性和弹性纳米膜

“皮肤电子设备”是可以安装在皮肤上的薄而灵活的电子设备。虽然这听起来像是科幻小说中的东西，但预计很快此类设备将用于健康监测、健康诊断、虚拟现实和人机界面等广泛的应用中。

制造此类设备需要柔软且可拉伸的组件，以便与人体皮肤在机械上兼容。皮肤电子设备的重要组成部分之一是一种本质上可拉伸的导体，可在设备之间传输电信号。为了实现可靠的操作和高质量的性能，需要具有超薄厚度、类似金属的导电性、高拉伸性和易于图案化的可拉伸导体。尽管进行了广泛的研究，但由于它们之间经常需要权衡，因此还不可能开发出一种同时具有所有这些特性的材料。

韩国首尔基础科学研究所 (IBS) 纳米粒子研究中心的研究人员在 Hyeon Taeghwan 教授和 Kim Dae-Hyeong 教授的带领下，公布了一种制造纳米膜形式复合材料的新方法，该方法具有所有上述属性。新的复合材料由金属纳米线组成，这些金属纳米线紧密堆积在超薄橡胶膜内的单层中。

这种新型材料是使用该团队开发的一种称为“浮动组装方法”的工艺制成的。浮子组件利用了马兰戈尼效应，这种效应发生在具有不同表面张力的两个液相中。当表面张力存在梯度时，会从表面张力较低的区域向表面张力较高的区域产生 Marangoni 流。这意味着将表面张力较低的液体滴在水面上会局部降低表面张力，由此产生的马兰戈尼流会导致滴下的液体在水面上薄薄地扩散。

纳米膜是使用浮子组装方法创建的，该方法由三步过程组成。第一步是将复合溶液滴在水面上，该溶液是金属纳米线、溶解在甲苯中的橡胶和乙醇的混合物。由于其疏水性，甲苯-橡胶相保持在水面之上，而纳米线最终位于水相和甲苯相之间的界面上。溶液中的乙醇与水混合以降低局部表面 张力，从而产生向外传播的 Marangoni 流并阻止纳米线的聚集。这将纳米材料在水之间的界面组装成单层和非常薄的橡胶/溶剂膜。在第二步中，表面活性剂被滴下以产生第二波 Marangoni 流，从而紧密地压实纳米线。最后，在第三步中，甲苯被蒸发，得到具有独特结构的纳米膜，其中高度压实的单层纳米线部分嵌入超薄橡胶膜中。

其独特的结构可在超薄橡胶膜中实现有效的应变分布，从而实现优异的物理性能，例如超过 1,000% 的拉伸性和仅 250 nm 的厚度。该结构还允许纳米膜彼此冷焊和双层堆叠，这导致类似金属的电导率超过 100,000 S/cm。此外，研究人员还证明，可以使用光刻技术对纳米膜进行图案化，这是一项广泛用于制造商业半导体设备和先进电子产品的关键技术。因此，纳米膜有望成为一种新型的皮肤电子平台材料。

这项研究的意义可能远远超出皮肤电子学的发展。虽然这项研究展示了一种由苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 (SEBS) 橡胶中的银纳米线组成的复合材料，但也可以在各种纳米材料上使用浮子组装方法，例如磁性纳米材料和半导体纳米材料，以及其他类型弹性体，如 TPU 和 SIS。因此，预计浮子组件可以开辟新的研究领域，涉及各种类型的具有不同功能的纳米膜。

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